UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
UFPB
Dissertação de Mestrado
Estudo Teórico de Complexos de Hidrogênio Heterocíclicos com
enfoque na Determinação dos Mecanismos de Reação
JEFFERSON JOSÉ SOARES DA SILVA
João Pessoa – PB
Outubro / 2006
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
UFPB
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
Estudo Teórico de Complexos de Hidrogênio Heterocíclicos com
enfoque na Determinação dos Mecanismos de Reação
Jefferson José Soares da Silva *
Dissertação submetida ao Programa de
Pós-Graduação em Química da UFPB
como parte dos requisitos para obtenção
do título de Mestre em Química.
Área de Concentração: Físico-Química
Orientadora: Profa. Dra. Regiane de Cássia Maritan Ugulino de Araújo.
Co-Orientadora: Profa. Dra. Claudia de Figueiredo Braga.
* Bolsista CNPq
João Pessoa – PB
Outubro / 2006
"Estudo Teórico de Complexos de Hidrogênio
Heterocíclicos com Enfoque na determinação dos
Mecanismos de Reação"
Jefferson José Soares da Silva
Aprovada em 23 de outubro de 2006
BANCA EXAMINADORA:
o
c.uU
Profa. Dra. Regiane de ássia Maritan Ugulino de Araújo
Orientadora
Profa. Dra. CiáUdia d'eFigueiredo Braga
23. Orientadora
Uu1
Prof.oDr. Ótávio Luís de Santana
Examinador
~~~
Prof. Dr. José Régis Botelho
Examinador
Não me vejo feito fera, muito menos anjo
Eu quem faço o meu destino, traço os meus planos
Sei que meu sexto sentido não vai me trair
Troco o riso pelo pranto em qualquer negócio
Sei que tenho olhos do medo no fundo do poço
Estou sempre maquiado quando vou sorrir
As leis dos meus olhos são feitas por mim
Até na mesma mão os dedos não são iguais
Tem loucos que se olham no espelho e se acham normais
Ninguém ganha o jogo sem ter ambição
Não se apaga o fogo com fogo na mão
Os gritos no silêncio não assustam corações animais
Eu me escondo num segredo sem qualquer mistério
Aqui se faz, aqui se paga pode acreditar
Corações Animais (Zé Ramalho)
Dedico:
Aos meus pais Josemar e Severina.
A minha esposa Joselma.
Aos meus filhos: Yak, Yuri e Yuk.
A minha sogra Maria Periano.
Aos meus irmãos: Carlos, Leotilde, “Mariano Vito” e Joelson.
A toda minha família, em especial aos meus avós Leotilde Soares (in
memorian) e Antonio Soares (in memorian), minhas tias, em especial
Rosilda Soares e Rosete Soares, meus sobrinhos, em especial Wallison
Soares (in memorian) e meus primos, especialmente (Roseane Soares e
Rosinalda Soares).
Agradecimentos
- A Deus, pela oportunidade em atingir mais um objetivo, como também de iluminar as
pessoas que fazem parte da minha vida.
- A minha mãe Severina, minha fonte de inspiração, que me mostra o valor da vida e o
amor pelo próximo.
- A minha esposa Joselma, pela compreensão na minha ausência e todo o seu amor
dedicado aos nossos filhos.
- Aos meus filhos (Yak, Yuri e Yuk) pela minha ausência diária, me dando forças para
seguir em frente.
- À Profa. Dra. Regiane de Cássia Maritan Ugulino de Araújo, de forma especial, não só
pela orientação deste trabalho, mas também por sua verdadeira amizade, ajudando-me
nos momentos difíceis e por ter aceitado me orientar.
-À Profa. Dra. Claudia Figueiredo Braga, pela boa vontade e por estar sempre prestativa,
ajudando-me na correção da dissertação, tirando as minhas dúvidas, como também pela
sua verdadeira amizade em meu dia-a-dia.
- À Profa. Dra. Elizete Ventura do Monte, pela sua grande disponibilidade, incentivo e
também por suas dicas essenciais na minha pesquisa.
- Aos Professores: Otávio, Silmar e Gerd pelo apoio e pela ajuda, durante a elaboração
desta dissertação.
- Aos meus companheiros do LQQC, meus grandes amigos.
- Prof. Juracy Júnior pelos seus incentivos nas horas de fraquezas, bem como pela sua
maneira de preocupar-se com as pessoas que estão a sua volta, mostrando o seu espírito
de amor a vida e amor ao próximo, obrigado por sua amizade.
- A Kelson Lopes, pela boa vontade e disposição em me ajudar na parte computacional, que
muito precisei na minha dissertação, além de ter sido um verdadeiro amigo.
- A Arquimedes, Liana, Janaina, Márcia, Ane, Weruska, Eduardo (Itabaiana), Boaz,
Gregório, Flávia, Milca, Isabelle Miguel, Tarsila, Edílson, Werneck por todo o
companheirismo e pelas horas de alegria e calor humano.
- A todos os Profs. do DQ/PPG/UFPB: João Bosco Lucena, Graça Brasilino, Teresa
Saldanha, Antonio Bezerra, Mário Ugulino, Régis, Marçal, Felinto, Mário Vasconcelos,
Almeida, Severino, Gardênnia, Sueli, Callouete, Antonio Gouveia, Rita, Rebeca, Everaldão,
Wallace Fragoso, Conceição, Socorrinho, Valdomiro pelos seus ensinamentos que eu
aproveitei o máximo.
- A todos que, direta ou indiretamente contribuíram na minha formação, em especial:
Marcos Pequeno (PRPG), Dona Lídia (Cord. Química), Carminha (Cord. Química), Roberto
(DQ), Maria (DQ), Dona Teresinha.
- Aos meus companheiros dessa longa estrada, Mariano Vito, Joel Nunes, Carlinhos
(Baiúca), cabo Costa (PM), Jonas França (PM), Carneiro (PM), Arimateia Araújo (PM),
Hildebrando (PM), Assis, Welligton (UFCG), Fábio (PM), Freitas (PM), Itinho, Totinha,
Maria Alves, João Erivonaldo, Ronaldo (Nau), Catila, Nir, Preta, Oziel, Ramos chá,
Comandante Cícero (BM), Antonio Marcos (Nick), Gilvamarques (Bogó), Cresivaldo,
Erivaldo, Severo, SGT Lisboa (PM), Nildo (moto táxi), Romeu (Prof.UFCG), Ronilton
Trajano, Sandro Lino, Francisco (Chicão), Antonio Jadilson (Itaporanga), Serginho
(Itaporanga) e Jonas Moura (Itaporanga).
- Às músicas do “profeta” Zé Ramalho, que me mostram a realidade do povo brasileiro, em
especial do povo Nordestino.
- Ao meu time do coração; Grêmio (FBPA).
- Ao CNPq pela bolsa de estudo e pelos recursos financeiros disponibilizados.
RESUMO
Este trabalho trata da investigação teórica de propriedades moleculares dos seguintes
compostos heterocíclicos: oxirana (C2H4O), metil-oxirana (H3C-C2H3O) e hidroxi-oxirana
(HO-C2H3O), e dos respectivos mecanismos de reações referente à abertura destes anéis,
frente à adição do ácido fluorídrico (HF). Neste contexto, foram determinadas as
propriedades moleculares dos complexos de hidrogênio, oxirana---HF (C2H4O---HF), metiloxirana---HF (H3C-C2H3O---HF) e hidroxi-oxirana---HF (HO-C2H3O---HF), formados em
uma das etapas do mecanismo. Os métodos de estrutura eletrônica empregados foram ab
initio (HF) e DFT (B3LYP e PBE1PBE) com o conjunto de base 6-311++G(d,p). A partir das
estruturas otimizadas para os complexos de hidrogênio e produtos das reações foram
determinadas às estruturas dos estados de transição e os caminhos de reação para as reações
propostas. Os resultados mostram que a reação de abertura do anel da oxirana substituída com
hidroxila, HO-C2H3O-HF, é favorecida cinética e termodinamicamente. O ataque nucleofílico
ao carbono mais substituído é o preferencial. A reatividade referente à abertura do anel dos
complexos heterocíclicos obedece a seguinte ordem: HO-C2H3O-HF > H3C-C2H3O-HF >
C2H4O-HF.
Palavras-chave: Complexos heterocíclicos, oxirana, mecanismo de reação, ab initio, DFT.
ABSTRACT
In the present work the molecular properties of heterocyclic hydrogen complexes: oxirane
(C2H4O), methyloxirane (H3C-C2H3O) and hydroxi-oxirane (HO-C2H3O), as well as the
respective ring open reaction by fluoridric acid has been investigated by using quantum
chemistry methods. In this way, molecular properties of hydrogen complexes, such as
oxirane---HF (C2H4O---HF), methyloxirane---HF (H3C-C2H3O---HF) e hydroxi-oxirana---HF
(HO-C2H3O---HF), has been investigated as well. The quantum chemistry methods used
were: ab initio (HF) and DFT (B3LYP and PBE1PBE) with the base set 6-311++G(d,p). The
optimized structures for the hydrogen complexes and the reaction products were used in order
to obtain the structure of the transition state and reaction path. The results yield that the
mechanism for ring open involving the reagent HO-C2H3O-HF was kinetically and
thermodynamically more favorable. The nucleofilic attack to the more substituted carbon is
the preferential one. The reactivity order of the ring opened mechanism was: HO-C2H3O-HF
> H3C-C2H3O-HF > C2H4O-HF.
Keywords: Heterocyclic Complex, oxirane, reaction mechanism, ab initio, DFT
SUMÁRIO
1.Introdução
1.1. Compostos Heterocíclicos
1.2. Forças Intermoleculares
Página
1
2
13
1.2.1. Forças de Van der Waals
13
1.2.2. Ligações de Hidrogênio
14
2. Objetivos
23
2.1. Geral
24
2.2. Específicos
24
3. Metodologia
3.1 Métodos para Obtenção de Estrutura Molecular
25
26
3.1.1. O Método RHF
27
3.1.2. O Método DFT
27
3.2. Energia de Estabilização e suas Correções
29
3.3. Efeito do Solvente
31
3.4. Mecanismo de Reação
32
3.5. Procedimento Computacional
33
4. Resultados e Discussões
35
4.1 Propriedades Estruturais
38
4.2 Propriedades Eletrônicas
48
4.3 Potencial Eletrostático
55
4.4 Propriedades Vibracionais
64
4.5 Caminhos de Reação
70
4.5.1 Abertura do Anel da Oxirana Catalisada por Ácido
71
4.5.2.Abertura do Anel da Hidroxi-Oxirana sob Catálise Ácida
72
4.5.3.Abertura do Anel da Metil-Oxirana sob Catálise Ácida
74
5. Conclusões
79
5.1. Propriedades Estruturais
80
5.2. Propriedades Eletrônicas
81
5.3. Potencial Eletrostático
81
5.4. Propriedades Vibracionais
81
5.5 Mecanismo de Reação
82
6. Perspectivas
83
Referências Bibliográficas
85
LISTA DE TABELAS
Página
Tabela 1.1 - Escala de eletronegatividade de alguns elementos do segundo período da
tabela periódica e do hidrogênio (segundo L.Pauling)
17
Tabela 1.2 - Ilustração dos diferentes tipos de ligação química e de interações
intermoleculares de acordo com suas respectivas forças.
20
Tabela 4.1 - Parâmetros estruturais (comprimentos de ligação) obtidos a partir dos
cálculos RHF/6-311++G(d,p), B3LYP/6-311++G(d,p) e PBE1PBE/6-311++G(d,p),
incluindo a correção do BSSE para os complexos de hidrogênio.
39
Tabela 4.2 - Parâmetros estruturais (comprimentos de ligação) obtidos a partir dos
cálculos RHF/6-311++G(d,p), B3LYP/6-311++G(d,p), PBE1PBE/6-311++G(d,p) e
PBE1PBE/6-311++G(d,p) (Onsager), sem correção do BSSE.
40
Tabela 4.3 - Parâmetros estruturais (ângulos de ligação) obtidos a partir dos cálculos
RHF/6-311++G(d,p), DFT/B3LYP/6-311++G(d,p) e DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p),
incluindo a correção do BSSE para os complexos de hidrogênio.
41
Tabela 4.4 - Parâmetros estruturais (ângulos de ligação) obtidos a partir dos cálculos
RHF/6-311++G(d,p), DFT/B3LYP/6-311++G(d,p) e DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p),
sem a correção do BSSE para os complexos de hidrogênio.
42
Tabela 4.5 - Valores de ΔE, ΔEcorr, BSSE e ZPE, para os complexos de hidrogênio
C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtidos com os métodos RHF,
B3LYP e PBE1PBE e o conjunto de base 6-311++G(d, p).
48
Tabela 4.6 - Energia intermolecular, ΔE1, e energia intermolecular incluindo a correção
ZPE, ΔE2, para os complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3CC2H3O---HF, obtidos a partir dos métodos RHF, B3LYP e PBE1PBE com o conjunto de
base 6-311++G(d,p) e PBE1PBE (Onsager) que inclui o efeito do solvente.
51
Tabela 4.7 - Valores de momentos de dipolo dos complexos de hidrogênio C2H4O---HF,
HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtido com o método PBE1PBE com o conjunto
de base 6-311++G(d,p).
53
Tabela 4.8 - Eletronegatividade do hidrogênio e de alguns elementos do segundo período
da tabela periódica, segundo a escala de Linus Pauling.
56
Tabela 4.9 - Potencial eletrostático na molécula HF, obtido através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
56
Tabela 4.10 - Potencial eletrostático na molécula C2H4O obtido através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
56
Tabela 4.11. Potencial eletrostático no complexo C2H4O---HF, obtido através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
57
Tabela 4.12. Potencial eletrostático na molécula H3C-C2H3O obtido através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
60
Tabela 4.13. Potencial eletrostático no complexo H3C-C2H3O---HF, obtido através do
método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
60
Tabela 4.14. Potencial eletrostático na molécula HO-C2H4O obtido através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
61
Página
Tabela 4.15. Potencial eletrostático no complexo HO-C2H4O—HF, obtidos através do
método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
62
Tabela 4.16. Deslocamentos na freqüência de estiramento da ligação HF, devidos à
formação dos complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O--HF, obtidos a partir dos métodos RHF, B3LYP e PBE1PBE, com o conjunto de base 6311++G(d,p), incluindo a correção do BSSE.
65
Tabela 4.17. Deslocamentos da freqüência de estiramento da ligação HF, devidos à
formação dos complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O--HF, obtidos a partir dos métodos RHF, B3LYP e PBE1PBE e PBE1PBE (Onsager), com
o conjunto de base 6-311++G(d,p), sem inclusão da correção do BSSE.
67
Tabela 4.18. Energia de reação global, ∆rE, e energia de ativação, ∆aE, referentes aos
complexos heterocíclicos C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtidas
com o método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
78
LISTA DE FIGURAS
Página
Figura 1.1 - Ilustração da estrutura do raloxifene.
3
Figura 1.2 - Ilustração da estrutura do zindoxifene.
4
Figura 1.3 - Ilustração da estrutura do cloridrato de clonidina.
4
Figura 1.4 - Semelhança estrutural entre a nicotina e a acetilcolina, um composto
heterocíclico empregado como pesticida.
5
Figura 1.5 - Estruturas da kadetrina e tetrametrina, compostos heterocíclicos
empregados na prevenção de doenças causadas principalmente por insetos, como os
mosquitos da malária, moscas tse-tse e moscas pretas.
5
Figura 1.6 - Ilustração das estruturas dos polímeros condutores polipirrol e politiofeno,
cujas unidades correspondem a anéis heterocíclicos de pirrol e tiofeno.
6
Figura 1.7 - Formação do epóxido (oxirana) a partir da Reação de Epoxidação.
7
Figura 1.8 - Reação entre a oxirana e o ácido formando a oxirana protonada.
7
Figura 1.9 - Formação do carbocátion a partir da oxirana protonada.
8
Figura 1.10. Reação global de substituição nucleofílica do tipo SN1 da oxirana
protonada.
8
Figura 1.11 - Reação entre a oxirana protonada e o composto hidroxilado, ROH,
gerando o estado de transição.
9
Figura 1.12 - Abertura do anel da oxirana em meio básico devido ao ataque nucleofilico.
9
Figura 1.13 - Reação de abertura do anel da oxirana simétrica (C2H4O) frente à adição
de HF, ilustrando a formação de um único produto.
10
Figura 1.14 - Reação de abertura do anel da oxirana assimétrica (H3C-C2H3O) com o
ácido HF, ilustrando a formação de dois produtos.
10
Figura 1.15 - Reação de abertura do anel da oxirana assimétrica (HO-C2H3O) com o
ácido HF, ilustrando a formação de dois produtos.
11
Figura 1.16 - Compostos heterocíclicos formados por anéis de três membros, cujos
heteroátomos são o oxigênio, oxirana (C2H4O), o enxofre, tirana (C2H4S), e o
nitrogênio, aziridina (C2H5N).
11
Figura 1.17 - Estruturas dos monômeros das oxiranas, simétricas e assimétricas.
12
Figura 1.18 - Estruturas dos complexos de hidrogênio formados pelas oxiranas
(simétrica e assimétrica) com o ácido monoprótico HF.
12
Figura 1.19 - Representação das principais forças de van der Waals.
14
Figura 1.20 - As ligações de hidrogênio formadas entre moléculas de água (H2O---H2O),
ácido fluorídrico (HF---HF) e amônia (H3N---H3N).
15
Figura 1.21 - Ligações de hidrogênio presentes na (a) água líquida e na (b) água sólida
(gelo).
16
Figura 1.22 - Ligação de hidrogênio intramolecular foto-induzida entre o hidrogênio de
um grupo amida e o oxigênio de um grupo carboxílico, N-H--O.
18
Página
Figura 1.23 - Exemplos de sistemas que formam ligação de hidrogênio intermolecular;
(i) indol-água, (b) propino-HF e (c) 2-butino-HCl.
19
Figura 1.24 - Complexo de hidrogênio C2H4O---HF, ilustrando o desvio da linearidade
da ligação intermolecular, simbolizado pelo ângulo θ .
21
Figura 4.1 - Representações das possíveis interações da espécie HF com os pares de
elétrons não-compartilhados do oxigênio presentes na metil-oxirana e na hidroxioxirana, na formação dos complexos de hidrogênio.
37
Figura 4.2 - Esquema ilustrando os comprimentos (D1, D2, D3 e D4) e os ângulos (A1,
A2 e A3) de ligação nos monômeros C2H4O, H3C-C2H3O e HO-C2H3O.
38
Figura 4.3 - Comprimentos (D1, D2, D3, D4, D5 e D6) e os ângulos (A1, A2 e A3) de
ligação nos complexos de hidrogênio C2H4O---HF, H3C-C2H3O---HF e HO-C2H3O--HF. O parâmetro D6 corresponde ao comprimento da ligação de hidrogênio.
38
Figura 4.4 - Incrementos nos comprimentos das ligações (D1-D2-D3-D4-D5) devidos à
formação dos complexos de hidrogênio, C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O--HF, obtidos com o método DFT/PBE1PBE, incluindo a correção counterpoise.
44
Figura 4.5 - Incrementos nos comprimentos da ligação HF, δD5, devidos à formação dos
complexos de hidrogênio, C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, segundo
os métodos RHF, B3LYP e PBE1PBE, incluindo a correção counterpoise.
45
Figura 4.6 - Comprimentos da ligação intermolecular (D6) nos complexos de hidrogênio
C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, incluindo o método PBE1PBE
(Onsager). Sem a correção counterpoise.
46
Figura 4.7 - Mudanças nos ângulos internos dos heterociclos, δAi, quando da formação
dos complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF,
obtidos com o método PBE1PBE, incluindo a correção counterpoise.
47
Figura 4.8 - Energia intermolecular, incluindo as correções BSSE e ZPE, para os
complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF.
49
Figura 4.9 - Energia de estabilização corrigida (ΔEcorr) versus comprimentos de ligação
intermolecular (R O--H) para os complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF
e H3C-C2H3O---HF, obtidos com o método PBE1PBE/6-311++G (d, p).
50
Figura 4.10 - Energia de estabilização com correção ZPE (ΔE2) versus comprimentos de
ligação intermolecular (R O--H) para os complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HOC2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtidos com o método PBE1PBE/6-311++G (d, p).
52
Figura 4.11 - Energia de estabilização com correção ZPE (ΔE2) para os complexos de
hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF. São incluídos os valores
obtidos considerando o efeito do solvente, PBE1PBE (Onsager).
54
Figura 4.12 - Energia de estabilização com correção ZPE (ΔE2) versus comprimentos de
ligação intermolecular (R O--H) para os complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HOC2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtidos com o método PBE1PBE (Onsager) /6311++G(d,p).
55
Figura 4.13 - Superfície de potencial eletrostático da molécula HF, obtida através do
método PBE1PBE/6-311++G(d,p) .
57
Figura 4.14 - Superfície de potencial eletrostático da molécula C2H4O, obtida através do
método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
58
Página
Figura 4.15 - Superfície de potencial eletrostático do complexo C2H4O---HF, obtida
através do método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
58
Figura 4.16 - Superfície de potencial eletrostático da molécula H3C-C2H3O, obtida
através do método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
60
Figura 4.17 - Superfície de potencial eletrostático do complexo H3C-C2H3O---HF,
obtida através do método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
61
Figura 4.18 - Superfície de potencial eletrostático da molécula HO-C2H4O, obtida
através do método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
62
Figura 4.19 - Superfície de potencial eletrostático do complexo HO-C2H4O---HF, obtida
através do método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
62
Figura 4.20 - Energia de estabilização corrigida (ΔECorr ) versus variação na freqüência
de estiramento da ligação H-F (ΔνHF), obtidas com o método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
66
Figura 4.21 - Energia de estabilização com correção ZPE (ΔE2), versus variação na
freqüência de estiramento da ligação H-F (ΔνHF), obtidas com o método PBE1PBE/6311++G(d,p).
68
Figura 4.22 - Energia de estabilização com correção ZPE (ΔE2), versus variação na
freqüência de estiramento da ligação H-F (ΔνHF), obtidas com o método PBE1PBE
(Onsager) /6-311++G(d,p).
Figura 4.23 - Energias relativas para a reação de abertura do anel da oxirana com o
ácido fluorídrico, produzindo 2-flúor-etanol, obtidas com o método DFT/PBE1PBE/6311++G(d,p), incluindo a correção do BSSE.
Figura 4.24 - Energias relativas para a reação de abertura do anel da hidroxi-oxirana
com o ácido fluorídrico produzindo 1-flúor-etanodiol-1,2 (via carbono mais substituído).
Obtidas com o método DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p).
Figura 4.25 - Energias relativas para a reação de abertura do anel da hidroxi-oxirana
com o ácido fluorídrico, produzindo 2-flúor-etanodiol-1,1 (via carbono menos
substituído). Obtidas com o método DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p).
Figura 4.26 - Esquema comparativo para as energias relativas referentes à reação de
abertura do anel da hidroxi-oxirana considerando a adição ao carbono mais substituído
(em azul) e ao menos substituído (em vermelho).
Figura 4.27 - Energias relativas para a reação de abertura do anel da metil-oxirana com o
ácido fluorídrico, produzindo 2-flúor-propanol-1, (via carbono mais substituído) obtidos
com o método DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p).
Figura 4.28 - Energias relativas para a reação de abertura do anel da metil-oxirana com o
ácido fluorídrico, produzindo 1-flúor-propanol-2 (via carbono menos substituído)
obtidos com o método DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p).
Figura 4.29 - Esquema comparativo para as energias relativas referentes à reação de
abertura do anel da metil-oxirana considerando a adição ao carbono mais substituído
(em azul) e ao menos substituído (em vermelho).
Figura 6.1 - Oxiranas mono, di, tri e tetra substituídas com o grupo –CH3.
69
72
73
73
74
75
76
77
84
INTRODUÇÃO
1
1. INTRODUÇÃO
O presente trabalho trata da investigação teórica de propriedades moleculares dos
seguintes compostos heterocíclicos: oxirana (C2H4O), metil-oxirana (H3C-C2H3O) e hidroxioxirana (HO-C2H3O), e das respectivas reações de abertura destes anéis, frente à adição do
ácido fluorídrico (HF).
No contexto das reações de abertura dos heterocíclicos, a presente proposta consiste
também na investigação de propriedades moleculares dos complexos de hidrogênio:
oxirana---HF (C2H4O---HF), metil-oxirana---HF (H3C-C2H3O---HF) e hidroxi-oxirana--HF (HO-C2H3O---HF), formados em uma das etapas do mecanismo.
No que se refere ao estudo dos mecanismos de reação envolvendo os compostos
heterocíclicos, é de fundamental importância à elucidação dos os caminhos de reação,
enfocando as estruturas do estado de transição e os possíveis produtos formados devido à
ruptura desses anéis, frente à adição do ácido monoprótico.
Dessa forma, faz-se necessário uma apresentação, de caráter geral, de assuntos
fundamentais abordados nesta dissertação, que dizem respeito aos:
9 Compostos heterocíclicos, com ênfase às oxiranas (epóxidos);
9 Principais conceitos envolvidos no fenômeno das ligações de
hidrogênio.
1.1. Compostos Heterocíclicos
Os compostos heterocíclicos correspondem a estruturas orgânicas, possuidores de
um átomo no anel diferente de carbono, sendo oxigênio, enxofre e nitrogênio os
heteroátomos mais comuns. Na natureza, a diversidade estrutural dos compostos
heterocíclicos, aliada a sua abundância e a importância nos processos químicos e
bioquímicos dos quais participam, revela a importância desses compostos, por exemplo,
como componentes essenciais em fármacos, produtos agro-químicos, corantes, polímeros
condutores, etc[1].
Devido às inúmeras aplicações dos compostos heterocíclicos, apenas algumas delas
serão apresentadas inicialmente, de forma preliminar. A seguir, são apresentadas as reações
2
mais usuais de abertura dos epóxidos, dando ênfase às oxiranas, que consistem no objeto de
investigação deste trabalho.
Na indústria farmacêutica, inúmeros fármacos, cujos princípios ativos correspondem
a compostos heterocíclicos, vêm sendo sintetizados e suas atividades testadas, tornando esta
área uma das mais promissoras da Ciência. Por exemplo, uma das mais importantes
aplicações desses compostos consiste na quimioterapia (técnica que faz uso de drogas no
tratamento de tumores), empregada no tratamento de cânceres de mama e de próstata. Estes
dois tipos de cânceres são relacionados com as quantidades de estrógenos e andrógenos,
respectivamente. Os compostos capazes de inibir a biossíntese destes hormônios
estereoidais apresentam anéis heterocíclicos em sua composição. A seguir são mostrados
alguns dos compostos mais utilizados neste tipo de tratamento[2].
9 O raloxifene, ilustrado na Figura 1.1 corresponde a um antiestrógeno que
contêm dois anéis heterocíclicos em sua estrutura, sendo empregado na
quimioterapia de cânceres de útero e mama[2].
9
N
O
O
OH
HO
S
Figura 1.1. Ilustração da estrutura do raloxifene
9 O zindoxifene, mostrado na Figura 1.2 é um antiestrógeno com um anel
heterocíclico em sua estrutura, sendo empregado no tratamento do câncer de
mama[2].
3
CH3
AcO
OAc
N
C2H5
Zindoxifene
Figura 1.2. Ilustração da estrutura do zindoxifene.
A eficácia de alguns compostos contendo anéis heterocíclicos é surpreendente,
devido à capacidade destes compostos em baixar a pressão arterial[3].
9 Um exemplo é o cloridrato de clonidina, ilustrado na Figura 1.3 que
corresponde a uma imidazolina, sintetizada no início da década de 60, capaz
de produzir a vasoconstrição, sendo empregada no tratamento da hipertensão
e no controle da freqüência cardíaca[3].
Cl
H
NH
N
N
Cl
Cloridrato de clonidina
Figura 1.3. Ilustração da estrutura do cloridrato de clonidina.
Dentre os compostos heterocíclicos mais empregados na indústria agroquímica,
podem ser destacados os alcalóides, que são geralmente definidos como compostos
orgânicos que possuem um átomo de nitrogênio (que possui caráter básico) incorporado à
cadeia heterocíclica (apresentando também caráter básico). Alguns alcalóides são
encontrados em plantas, possuindo atividades inseticidas.
9 O alcalóide nicotina é um dos inseticidas mais conhecidos e mais utilizados,
por ter atividade altamente tóxica. Esta atividade está relacionada com sua
semelhança, em termos de configuração e distribuição de cargas, com a
acetilcolina (um neurotransmissor), conforme pode ser observado na Figura
1.4. A nicotina é capaz de mimetizar a ação da acetilcolina e, portanto, pode
interagir com o sistema nervoso de insetos, destruindo-os[4-6].
4
O
N
N
C
R
H
H3C
4,24,2
Å
O
H2
C
C
H2
N(CH3)3
4,0Å
~~
4,0
Nicotinóides
Acetilcolina
Figura 1.4. Semelhança estrutural entre a nicotina e a acetilcolina, um composto
heterocíclico empregado como pesticida.
9 Os piretróides são utilizados nas principais áreas de saúde pública, sendo
aplicados no controle de muitos vetores de doenças, como os mosquitos da
malária, moscas tse-tse e moscas pretas, além do uso em setores urbanos para
o controle de pestes como baratas, pulgas e percevejos. No campo
veterinário são usados no controle de parasitas externos do gado, como
carrapatos. A principal característica estrutural responsável pela atividade
dos piretróides é a presença de um centro de insaturação (anel aromático ou
ligações olefínicas). Na Figura 1.5 são mostrados alguns piretróides
heterocíclicos[4-6].
H
O
H
O
S
O
O
Kadetrina
O
H
O
N
H
O
O
Tetrametrina
Figura 1.5. Estruturas da kadetrina e tetrametrina, compostos heterocíclicos
empregados na prevenção de doenças causadas principalmente por
insetos, como os mosquitos da malária, moscas tse-tse e moscas pretas.
5
9 Uma aplicação importante de compostos heterocíclicos diz respeito aos
polímeros condutores, que, em geral, apresentam anéis aromáticos ou
insaturações alifáticas conjugadas. Dentre os polímeros condutores formados
por compostos heterocíclicos podem ser destacados o polipirrol e o
politiofeno, apresentados na Figura 1.6. A conjugação de duplas ligações, o
excedente de elétrons não emparelhados nos heteroátomos, nitrogênio e
enxofre, e a capacidade de deslocalização dos mesmos, são características
estruturais que favorecem as propriedades de condução de carga,
apresentadas por estes polímeros[7].
N
N
N
Polipirrol
S
S
S
Politiofeno
Figura 1.6. Ilustração das estruturas dos polímeros condutores polipirrol e politiofeno,
cujas unidades correspondem a anéis heterocíclicos de pirrol e tiofeno.
Dentre os heterocíclicos mais importantes, destacam-se os epóxidos, que são éteres
cíclicos, (heterocíclicos contendo um átomo de oxigênio no anel de três membros). Estes
compostos apresentam anéis de três membros altamente tencionados, fato que os torna
extremamente reativos, sendo considerados intermediários comerciais valiosos e
versáteis[1].
Atualmente, os epóxidos apresentam uma demanda mundial anual de 14 (quatorze)
milhões de toneladas, acompanhada por um crescimento anual em torno de 3%, o que
mostra a importância destes compostos para indústria química. O maior produtor mundial
de epóxidos, os Estados Unidos da América, apresenta uma produção anual de 4 (quatro)
milhões de toneladas, enquanto a produção anual do Brasil é de 312.000 toneladas, situando
o Brasil como o maior produtor da América Latina[8].
Os compostos heterocíclicos do grupo das oxiranas geralmente são sintetizados
através da reação entre um alceno e um perácido orgânico ou entre um alceno e um
peróxido. Na reação entre um alceno e um perácido orgânico verifica-se a quebra da ligação
insaturada, com conseqüente adição do oxigênio do perácido ao alceno. A adição do
6
oxigênio à dupla ligação é denominada de “Reação de Epoxidação”
[9-12]
, conforme
ilustrado na Figura 1.7.
Figura 1.7. Formação do epóxido (oxirana) a partir da Reação de Epoxidação.
Os epóxidos são bastante susceptíveis a reações de abertura do anel, mesmo em
condições brandas, fato este justificado pela presença do anel de três membros altamente
tensionado. Devido a sua estrutura, os epóxidos reagem com extrema facilidade em reações
catalisadas por ácidos e bases[13].
A reação envolvendo a oxirana em meio ácido é reversível e tem-se a formação da
oxirana protonada (Figura 1.8). A molécula de oxirana protonada (C2H4OH) é mais
facilmente atacada por uma espécie nucleofílica. No entanto, dependendo da força do sítio
ácido utilizado o mecanismo de reação é diferente [8].
O
R2C
+
CR2
Oxirana
+
H
H
O+
rápida
R2C
CR2
Oxirana protonada
Figura 1.8. Reação entre a oxirana e o ácido formando a oxirana protonada.
Na presença de ácido forte, como, por exemplo, o ácido iodídrico, o anel da oxirana
protonado é aberto, gerando um carbocátion, que é atacado posteriormente pela espécie
nucleofílica ROH (álcool). Neste caso, a velocidade de reação independe da concentração e
7
da estrutura do composto oxirana a ser etoxilado, tendo em vista que a etapa lenta envolve a
formação ou não do carbocátion. Quando o intermediário (carbocátion) não é formado, a
reação ocorre através de um complexo ativado. Na Figura 1.9 é mostrado a formação do
carbocátion.
CR2
H
H
O
O
CR2
CR2
CR2
carbocátion
oxirana protonada
Figura 1.9. Formação do carbocátion a partir da oxirana protonada.
Nestas circunstâncias, a reação global pode ser classificada como sendo uma
Substituição Nucleofílica do tipo SN1[8], conforme é ilustrado na Figura 1.10.
H
O
CR2
CR2
ROH
OR
R2C
OH
H
CR2
carbocátion
Figura 1.10. Reação global de substituição nucleofílica do tipo SN1 da oxirana protonada.
Na presença de ácido fraco, a reação ocorre através de uma Substituição
Nucleofílica Bimolecular, SN2, e, portanto, a cinética dessa reação dependerá da
concentração da oxirana protonada e do composto hidroxilado ROH. Este mecanismo,
possivelmente, se deve à formação de um par iônico entre a oxirana protonada e o ânion,
dando uma maior estabilidade à espécie ativa, evitando, assim, a abertura do anel, numa
primeira etapa. Neste caso, a etapa lenta envolve tanto o óxido de eteno protonado como o
composto ROH, e a reação ocorrem através do estado de transição, conforme reação
apresentada na Figura 1.11.
8
Figura 1.11. Reação entre a oxirana protonada e o composto hidroxilado, ROH, gerando o
estado de transição.
Ao contrário da catálise ácida, na catálise básica a ênfase maior pode ser atribuída
ao caráter nucleofilico da base conjugada do reagente ROH, cuja concentração é aumentada
pela adição de um hidróxido MOH, em que M geralmente representa um metal alcalino. A
abertura do anel da oxirana ocorre como conseqüência do ataque nucleofilico, RO-, a um
dos dois carbonos do anel da oxirana, como mostrado na Figura 1.12.
Figura 1.12. Abertura do anel da oxirana em meio básico devido ao ataque nucleofilico.
As reações a serem tratadas neste trabalho são mostradas da Figuras 1.13 a 1.15,
considerando os complexos de hidrogênio envolvendo a oxirana simétrica (C2H4O) e as
oxiranas assimétricas (H3C-C2H3O e HO-C2H3O), com o ácido monoprótico HF. No caso
da oxirana simétrica, apresentada na Figura 1.13, não há uma orientação preferencial para o
ataque da espécie HF aos átomos de carbono do anel. No caso das oxiranas
assimetricamente substituídas, a orientação do ataque nucleofilico ocorre preferencialmente
no carbono mais substituído, conforme pode ser observado nas Figuras 1.14 e 1.15[14-18].
9
Figura 1.13. Reação de abertura do anel da oxirana simétrica (C2H4O) com o ácido HF,
ilustrando a formação de um único produto.
+
H2C
H2C
+
OH + F
-
H2C
F
HC
OH
-
+ F
HC
HC
H3C
H3C
OH
H3C
carbocátion
menos estável
ou
Produto secundário
3 Flúor-Propanol-2
H2 C
H2 C
O
HF
O
HC
HC
H3C
H3C
Complexo de Hidrogênio
(oxirana assimétrica)
F
H
ou
H2 C
+
H2C
OH
HC+
HC
F
H3C
H3C
H2C
OH
-
OH + F
HC
H3C
+ F-
carbocátion
mais estável
Produto principal
2 Flúor-Propanol-1
Figura 1.14. Reação de abertura do anel da oxirana assimétrica (H3C-C2H3O) com o ácido
HF, ilustrando a formação de dois produtos.
10
+
H2C
H2C
+
-
OH + F
+ F
HC
HC
HO
OH
HO
F
HC
OH
HO
carbocátion
menos estável
Produto secundário
ou
H2 C
H2C
-
2 Flúor-Etanodiol 1,1
H2 C
O
HF
H
O
HC
HC
HO
HO
Complexo de Hidrogênio
(oxirana assimétrica)
F
ou
H2 C
H2C
+
OH
OH + F-
+ F-
H2C
OH
F
HC
HC+
HC
HO
HO
HO
carbocátion
mais estável
Produto principal
1 Flúor-Etanodiol 1,2
Figura 1.15. Reação de abertura do anel da oxirana assimétrica (HO-C2H3O) com o ácido
HF, ilustrando a formação de dois produtos.
Nosso grupo de Química Computacional vem desenvolvendo uma linha de pesquisa
voltada ao estudo de compostos heterociclicos. Na figura 1.16 são mostrados algumas
estruturas investigadas pelo nosso grupo[19-22]. Diversas propriedades destes compostos,
assim como dos correspondentes complexos de hidrogênio envolvendo estes heterocíclicos
e espécies doadoras de próton HX (X=F, Cl, CN, NC e CCH), foram investigadas.
Oxirana
Tirana
Aziridina
Figura 1.16. Compostos heterocíclicos formados por anéis de três membros, cujos
heteroátomos são o oxigênio, oxirana (C2H4O), o enxofre, tirana (C2H4S),
e o nitrogênio, aziridina (C2H5N).
11
Neste trabalho são estudadas, especificamente, as propriedades moleculares das
oxiranas C2H4O, H3C-C2H3O e HO-C2H3O e dos respectivos complexos de hidrogênio
formados com o ácido monoprótico HF. Também serão estudadas as principais mudanças
nas propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais, devidas à formação da ligação
intermolecular. Os monômeros e os complexos de hidrogênio são apresentados nas Figuras
1.17 e 1.18, respectivamente.
Oxirana
Metil-Oxirana
Hidroxi-Oxirana
Figura 1.17. Estruturas dos monômeros das oxiranas, simétricas e assimétricas.
Oxirana ---HF
Metil-Oxirana ---HF
Hidroxi-Oxirana ---HF
Figura 1.18. Estruturas dos complexos de hidrogênio formados pelas oxiranas (simétrica e
assimétrica) com o ácido monoprótico HF.
Na próxima seção discutiremos alguns aspectos importantes relacionados às forças
envolvidas nas interações entre sistemas moleculares.
12
1.2. Forças Intermoleculares
As interações moleculares são de suma importância em Física, Química e Biologia,
pois determinam muitas propriedades da matéria. As forças intermoleculares podem ser
classificadas em: Forças de van der Waals e Ligações de Hidrogênio. Discutiremos
brevemente os diferentes tipos de forças de van der Waals e o fenômeno da ligação de
hidrogênio, sendo o último mais detalhadamente, uma vez que este é objeto de investigação
neste trabalho.
1.2.1. Forças de Van der Waals
As forças de van der Waals[23] são divididas em vários tipos, conforme a natureza
dos sistemas interagentes, e estão ilustradas na Figura 1.19.
•
Íon – Dipolo Permanente: Atração entre um íon e uma molécula polar (um dipolo);
•
Íon – Dipolo Induzido: Atração entre um íon e uma molécula apolar. O íon interage
com a nuvem eletrônica da molécula, deformando-a. Esta deformação resulta na
formação de dipolos (dipolo induzido);
•
Dipolo Permanente - Dipolo Permanente: Atração entre moléculas polares. Os
dipolos se atraem pelos pólos opostos (pólo positivo - pólo negativo);
•
Dipolo Permanente – Dipolo Induzido: Atração entre uma molécula polar e uma
molécula apolar. O dipolo causa atração eletrônica entre o pólo positivo e a nuvem
eletrônica da molécula apolar e uma repulsão entre esta nuvem e seu pólo negativo.
Este fenômeno causa uma deformação da nuvem eletrônica na molécula apolar,
provocando a formação de dipolos induzidos;
•
Dipolo Induzido - Dipolo Induzido: Também chamada de força de dispersão de
London, corresponde a uma atração que ocorre entre moléculas apolares quando
estas se aproximam umas das outras. Ocorre uma repulsão entre suas nuvens
eletrônicas que, então, se deformam, induzindo a formação de dipolos.
13
Figura 1.19. Representação das principais forças de van der Waals.
1.2.2. Ligações de Hidrogênio
Analisando as propriedades dos compostos de elementos pertencentes a um mesmo
grupo da tabela periódica pode-se observar uma variação regular dos valores do ponto de
ebulição e do calor de vaporização de gases nobres, de hidretos mais simples dos elementos
do grupo IV (por exemplo, CH4, SiH4, GeH4 e SnH4) e de moléculas de elementos do grupo
VII (por exemplo, F2, Cl2 e Br2). Entretanto, tal comportamento não é observado quando se
comparam as mesmas propriedades para os hidrogênios ligados aos elementos dos grupos
V, VI e VII. Nestes grupos, observa-se que o ponto de ebulição e o calor de vaporização das
moléculas de H2O, HF e NH3 deveriam normalmente assumir valores numéricos inferiores
àqueles dos hidrogênios dos outros elementos dos respectivos grupos[24].
Estes comportamentos “anormais” nas propriedades, da água, do ácido fluorídrico e
da amônia, quando comparadas com as propriedades dos ácidos sulfidrico, iodídrico,
clorídrico, e outros, levou o cientista soviético Illinski[25], em 1887, a comentar: “... embora
o hidrogênio se ligue somente a um átomo de outro elemento, no caso da ligação com o
oxigênio e o nitrogênio, ele pode ser atraído por dois átomos”. Na Figura 1.20. são
mostradas as ligações de hidrogênio presentes na água, no ácido fluorídrico e na amônia.
14
Figura 1.20. As ligações de hidrogênio formadas entre moléculas de água (H2O---H2O),
ácido fluorídrico (HF---HF) e amônia (H3N---H3N).
Em 1902, Werner[26] observou que o amoníaco é obtido a partir da mistura da água e
da amônia, onde teria a seguinte reação no equilíbrio:
HO − H L NH 3 ↔ HO − L H + − NH 3
Hantsh[27] em 1910 propôs a existência de atração entre o hidrogênio da hidroxila do
ácido acético e o oxigênio da carbonila de outro ácido, formando uma ligação de hidrogênio
dimérica. Nesta época, o caso mais evidente de associação intermolecular, através de uma
segunda ligação com o hidrogênio, era a do fluoreto de hidrogênio, onde se comprovou,
mesmo no estado gasoso, a presença de moléculas associadas na forma (HF)6[24]. Em 1913,
Pfeiffer[28-29] reforçou a hipótese dessas “estranhas ligações” envolvendo o átomo de H
reafirmando
a
possibilidade
da
formação
de
ligações
de
hidrogênio
no
α-
hidroxiantraquinona e em dímeros de ácidos carboxílicos.
As ligações de hidrogênio foram realmente reconhecidas em 1920, após Latimer e
Rodebush[30] explicar as irregularidades nas propriedades físicas da água. Os autores
comentaram a existência de pares de elétrons livres no átomo de oxigênio de uma molécula
de água, atribuindo a estes elétrons o efeito de atração exercido sobre o átomo de
hidrogênio de uma outra molécula de água. Essa atração promove a formação de ligações
de hidrogênio entre as moléculas de água, conforme pode ser exemplificado na Figura 1.21
com as estruturas da água (a) no estado líquido e (b) no estado sólido.
15
(a) Água no estado líquido
(b) Água no estado sólido
Figura 1.21. Ligações de hidrogênio presentes na (a) água líquida e na (b) água sólida
(gelo).
Em 1928, Pauling[31] propôs a primeira teoria sobre ligação de hidrogênio,
denominada de Teoria Eletrostática da Ligação de Hidrogênio, que pode ser enunciada
assim: “Se o orbital 1s do átomo de hidrogênio já é utilizado numa ligação química com um
átomo X, por exemplo, uma ligação sigma em HX, qualquer interação adicional com outra
espécie denominada R, só poderá ser do tipo eletrostática”. Neste enunciado, HX
corresponde uma espécie onde o átomo de hidrogênio está deficiente de elétrons (devido a
X representar um átomo bastante eletronegativo) e R corresponde a uma espécie que possui
em sua estrutura uma região de alta densidade eletrônica (por exemplo, pares de elétrons
isolados ou ligações pi). Dessa forma, as interações moleculares observadas por Pauling
entre as espécies HX e R sugeriam que estas espécies apresentavam uma distribuição de
cargas diferente daquela comparada às espécies livres (não interagentes). Os valores de
energia referentes a estas interações podem ser obtidos pela Lei de Coulomb.
Entretanto, observou-se que determinados resultados experimentais não podem ser
explicados pelo modelo puramente eletrostático de Pauling como, por exemplo:
9 A inexistência de correlação entre a energia da ligação de hidrogênio e o
aumento do momento de dipolo do grupo doador e/ou receptor de próton;
9 O aumento da intensidade do modo de estiramento da ligação entre H e X,
devido à transferência de carga de R para HX, na formação da ligação de
hidrogênio. Este aumento é relacionado a redistribuição de cargas em HX;
9 O comprimento da ligação de hidrogênio observada é sempre menor do que a
soma dos raios de van der Waals dos átomos H, X e R[32-33].
16
Sendo assim, a Teoria de Pauling, que considerava o caráter puramente
eletrostático, tornou-se limitada por não conseguir explicar diversas propriedades
relacionadas á formação da ligação de hidrogênio. Este fato sugeriu a necessidade de teorias
mais elaboradas que levassem em consideração, por exemplo, o efeito de transferência de
carga [32-33].
Com respeito à existência de ligações de hidrogênio nos diferentes estados da
matéria, pode-se afirmar que este fenômeno está presente em sistemas químicos no estado
sólido, líquido e, principalmente, em solução. Por sua vez, no estado gasoso, é conhecido
que apenas compostos capazes de formar ligações de hidrogênio muito fortes se mantém
associados. Com relação aos parâmetros químicos responsáveis pela tendência das
moléculas formarem ligações de hidrogênio, a eletronegatividade do elemento químico
ligado ao hidrogênio é um fator essencial. Na Tabela 1.1 podem ser visualizados os valores
de eletronegatividade do hidrogênio e de alguns elementos do segundo período da tabela
periódica[24].
Tabela 1.1. Escala de eletronegatividade do hidrogênio e de alguns elementos do segundo
período da tabela periódica (segundo L.Pauling)[24].
ELEMENTO
ELETRONEGATIVIDADE
Flúor
4,0
Oxigênio
3,5
Nitrogênio
3,0
Carbono
2,5
Hidrogênio
2,1
Com respeito à definição da ligação de hidrogênio, a mais amplamente utilizada
pode ser enunciada como se segue: “A ligação de hidrogênio é uma interação, inter ou
intramolecular, que ocorre entre um hidrogênio deficiente de elétrons (por exemplo, numa
espécie HX, onde se considera o hidrogênio formando uma ligação química com o átomo
X, mais eletronegativo do que hidrogênio) e uma região de alta densidade eletrônica (que
pode ser simbolizada pela espécie R, a qual deve conter ou um par de elétrons não
compartilhado ou, menos usualmente, elétrons π)”[34-35]. Dessa forma, a interação molecular
17
entre as espécies R e HX dá origem a um sistema químico denominado de Complexo de
Hidrogênio, conforme ilustrado abaixo:
R
Espécie receptora
de próton
+
HX
Espécie doadora
de próton
→
R L HX
Complexo de
Hidrogênio
Com relação às ligações de hidrogênio, as mesmas podem ser classificadas em dois
tipos:
9 Ligação de Hidrogênio Intramolecular → Este tipo de ligação de hidrogênio
ocorre quando uma mesma molécula apresenta, simultaneamente, um grupo
doador e um grupo receptor de próton, em configuração espacial favorável,
conforme pode ser observado na da Figura 1.22.
9 Ligação de Hidrogênio Intermolecular → É formada quando um grupo
doador de próton de uma molécula se associa com um grupo receptor de
prótons da outra molécula, sendo este processo denominado associação (ou
complexo de hidrogênio), como pode ser visualizado na Figura 1.23.
⇒
Figura 1.22. Ligação de hidrogênio intramolecular foto-induzida entre o hidrogênio de um
grupo amida e o oxigênio de um grupo carboxílico, N-H---O.
18
(a) Indol-água
(b) Propino-HF
(c) 2-butino-HCl
Figura 1.23. Exemplos de sistemas que formam ligação de hidrogênio intermolecular; (i)
indol-água, (b) propino-HF e (c) 2-butino-HCl.
A formação de uma ligação de hidrogênio causa mudanças nas propriedades
estruturais, eletrônicas e vibracionais das espécies livres, R e HX. Podem ser destacadas as
seguintes mudanças:
9 A distância de ligação HX, a qual está diretamente envolvida na formação da
ligação de hidrogênio, sofre um aumento pronunciado. As demais distâncias
de ligação das moléculas envolvidas na interação sofrem mudanças mais
amenas;
9 Ocorre uma transferência de carga da molécula receptora de próton, R, para a
molécula de HX. Esta migração de carga é um dos fatores responsáveis pelo
aumento da polaridade da ligação HX, com conseqüente incremento no seu
momento de dipolo;
9 Com respeito as principais mudanças nas propriedades vibracionais tem-se
que o efeito mais pronunciado ocorre no modo de estiramento da espécie
HX, a qual é deslocada para valores mais baixos de freqüência, sendo
acompanhada por um aumento pronunciado em sua intensidade.
9 É importante salientar que a formação da ligação de hidrogênio dá origem a
novos modos vibracionais, que surgem em regiões de baixos valores de
freqüência, no espectro infravermelho, apresentando intensidades muito
fracas. Como exemplo, pode ser citado o modo de estiramento da ligação de
hidrogênio.
Do ponto de vista experimental, as técnicas espectroscópicas são ferramentas
poderosas na investigação das estruturas e propriedades dos complexos de hidrogênio[33-35].
19
Estas técnicas são capazes de fornecer evidências importantes acerca da formação de
uma ligação de hidrogênio. Dentre as técnicas espectroscópicas de maior aplicabilidade no
estudo das ligações de hidrogênio podem ser destacadas as Espectroscopias de Microondas
e de Infravermelho com Transformada de Fourier. Estas técnicas têm alcançado um grande
sucesso no estudo das propriedades moleculares de complexos de hidrogênio no estado
fundamental, além de auxiliar na interpretação das principais mudanças que ocorrem nas
propriedades vibracionais das moléculas livres, como também na caracterização dos novos
modos vibracionais que surgem após a formação dos complexos de hidrogênio[33-35].
Com respeito à energia da ligação de hidrogênio, em geral, tem-se que:
9 A energia de uma ligação de hidrogênio varia de 2 a 20 kcal mol-1. A energia das
forças de van der Waals é menor do que 2 kcal mol-1;
9 A energia das ligações químicas usuais se encontra num intervalo bem superior,
de 30 a 200 kcal mol-1.
Na Tabela 1.2. são ilustrados os diferentes tipos de ligação química e de interações
moleculares e a correspondente ordem de força dessas ligações [24].
Tabela 1.2. Ilustração dos diferentes tipos de ligação química e de interações moleculares de
acordo com suas respectivas forças.
Tipos de Ligações
Força das Ligações
Ligação Iônica
Ligação Metálica
Ligação Covalente Polar
Ligação Interatômica
Ligação Covalente Apolar
Aumento da Força
da Ligação
Ligação de Hidrogênio
Forças Intermoleculares
Forças de Van der Waals
O primeiro tratamento da ligação de hidrogênio utilizando a Teoria do Orbital
Molecular[36] foi realizado por Pimentel[37] e os primeiros Cálculos de Orbitais Moleculares
Ab Initio foram realizados por Clementi[38], no final dos anos 50. Desde então, os cálculos
teóricos têm desempenhado um importante papel no estudo do fenômeno da ligação de
20
hidrogênio. A geometria e a energia de estabilização de um grande número de complexos
de hidrogênio têm sido satisfatoriamente previstas.
Com respeito aos sistemas investigados neste trabalho, alguns estudos experimentais
utilizando técnicas de espectroscopia vibracional e rotacional revelam que o complexo de
hidrogênio entre a oxirana e o ácido fluorídrico, C2H4O---HF, apresenta simetria CS. Os
trabalhos de Legon et al.
[39-42]
estabelecem que a ligação de hidrogênio em alguns
complexos heterocíclicos de forma geral CnHmY---HX, onde Y=O, S e N, é do tipo “nãolinear”. Essa não-linearidade se deve às interações secundárias entre o átomo X, em HX, e
os átomos de hidrogênio axiais no heterocíclico, conforme pode ser observado na Figura
1.24. Nesta figura, o desvio da linearidade é simbolizado por θ no complexo de hidrogênio
C2H4O---HF. Conforme foi sugerido, esse desvio de linearidade da ligação de hidrogênio se
deve a interações entre o F, em HF, e os hidrogênios axiais (hidrogênios α) da oxirana.
Figura 1.24. Complexo de hidrogênio C2H4O---HF, ilustrando o desvio da
linearidade da ligação intermolecular, simbolizado pelo
ângulo θ .
A partir da Figura 1.24, pode-se observar que a molécula doadora de próton, HF, faz
uma ligação de hidrogênio com um dos pares de elétrons não compartilhados do átomo de
oxigênio na oxirana. Estes complexos de hidrogênio são representantes importantes de um
primeiro estágio de reações de adição nucleofílica catalisadas por ácido HF [14-18].
A presente dissertação tem por objetivo central investigar algumas propriedades
moleculares e intermoleculares, bem como a elucidação dos caminhos de reação de abertura
do anel da oxirana complexada com o ácido fluorídrico. Foram realizados cálculos de
estrutura eletrônica Hartree-Fock (RHF) e Teoria do Funcional da Densidade (DFT) com
21
os funcionais híbridos B3LYP[43-46] e PBE1PBE[47-49], empregando o conjunto de base 6311++G(d, p). Os objetivos são detalhados no Capítulo 2.
22
OBJETIVOS
23
2- OBJETIVOS
2.1. Objetivo Geral
Realizar um estudo teórico de propriedades estruturais, eletrônicas e
vibracionais dos complexos de hidrogênio R-C2H3O---HF, com R=H, H3C ou HO.
Utilizar as estruturas otimizadas para os complexos de hidrogênio, R-C2H3O---HF,
como ponto de partida para investigar os caminhos da reação de abertura do anel das
oxiranas, quando a reação é catalisada pelo ácido fluorídrico. Neste caso,
consideraremos apenas o caminho concertado (em uma única etapa) para evitar a
realização de cálculos envolvendo solvente (necessário para establilização do
carbocátion formado no mecanismo em etapas).
2.2. Objetivos Específicos
9 Investigar como a formação dos complexos de hidrogênio, R-C2H3O---HF, sendo
R=H, CH3 ou OH, modificam as propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais
das espécies HF e R-C2H3O, procurando identificar qual a influência dos
substituintes R do anel heterocíclico sobre estas mudanças;
9 Caracterizar os novos modos vibracionais mais importantes, que surgem devido à
formação dos complexos de hidrogênio;
9 Comparar a influência do método computacional (RHF, DFT/B3LYP e
DFT/PBE1PBE) nas propriedades intermoleculares dos complexos heterocíclicos
estudados;
9 Simular a influência do efeito do solvente (água) nos cálculos das propriedades dos
complexos de hidrogênio;
9 Utilizar as estruturas otimizadas para os complexos de hidrogênio, R-C2H3O---HF,
como ponto de partida para determinar o caminho para a reação de abertura do anel
das oxiranas, quando a reação é catalisada pelo ácido fluorídrico.
24
METODOLOGIA
25
3 - METODOLOGIA
A química computacional é extensivamente aplicada no estudo de propriedades físicoquímicas de materiais e para investigação de mecanismos de reações químicas. Recentemente,
o alvo dos métodos computacionais tem mudado qualitativamente, da reprodução de dados
experimentais para cálculos preditivos de sistemas complexos[50], envolvendo propriedades
eletrônicas e estruturais de sistemas químicos, estudo do mecanismo de reações químicas,
dentre outros. Os diversos métodos empregados neste campo podem ser classificados em duas
categorias:
i) métodos de estrutura eletrônica[51-53].
ii) métodos de simulação computacional[54].
Os métodos de estrutura eletrônica têm por objetivo resolver, de forma aproximada, a
equação de Schrödinger. A aproximação mais fundamental é a chamada aproximação de
Born-Oppenheimer, que separa o movimento eletrônico do nuclear. Já os métodos de
simulação computacional dependem do uso de potenciais interatômicos e intermoleculares
(campos de forças), que são funções analíticas ou numéricas. Estas funções fornecem a
energia de um conjunto de átomos em função de suas coordenadas espaciais. Estes campos de
forças são, então, utilizados com técnicas de amostragem do espaço configuracional, tais
como Monte Carlo (MC) e Dinâmica Molecular (MD).
Este trabalho envolveu cálculos de estrutura eletrônica para a determinação da
estrutura molecular de epóxidos de etileno, bem como na investigação da formação de
complexos com o ácido fluorídrico em fase gasosa e em meio aquoso. O modelo de Onsager
foi utilizado para incluir o efeito do solvente.
3.1 – Métodos para Obtenção de Estrutura Molecular
Os métodos de estrutura eletrônica empregados na descrição das propriedades
moleculares, otimização de geometria e cálculos de freqüências vibracionais foram o método
Hartree-Fock (RHF)[53] e os métodos baseados na teoria do funcional da densidade (DFT)[51-
26
52]
, todos utilizando o conjunto de base de Pople 6-311++G(d,p)[55]. Os aspectos gerais destas
duas metodologias serão discutidos nas próximas seções.
3.1.1 O Método RHF
O método Hartree-Fock (RHF) para moléculas é baseado nas equações de HartreeFock-Roothaan. Estas equações não dependem de parâmetros empíricos, sendo as constantes
físicas e cargas nucleares os únicos parâmetros utilizados. Além disso, todas as aproximações
utilizadas para a obtenção destas equações são conhecidas e podem ser corrigidas. Por
exemplo, a aproximação LCAO (Linear Combination of Atomic Orbitals), que é usada para
descrever a função de onda molecular, pode ser corrigida aumentando-se o número de funções
de base, que são representações matemáticas para os orbitais atômicos.
A aproximação do campo médio efetivo, utilizada para descrever a interação
eletrônica (através de um potencial médio), pode ser corrigida incluindo-se efeitos de
correlação eletrônica. Além disso, é possível incluir correções relativísticas e de BornOppenheimer. Dessa forma, as soluções obtidas podem ser melhoradas de modo a se
aproximar do valor exato. Estes requisitos caracterizam o método Hartree-Fock como ab
initio.
O principal problema dos métodos baseados na aproximação de Hartree-Fock é a falta
de correlação eletrônica. Este efeito é responsável por erros significativos no cálculo de várias
propriedades moleculares. Por exemplo, os comprimentos e ângulos de ligação são,
geralmente, menores que os valores experimentais. No caso de estruturas de estados de
transição, a falha do método Hartree-Fock, devido aos erros associados à correlação
eletrônica, pode ser mais problemática, uma vez que os efeitos de correlação normalmente são
maiores em situações de quebra e/ou formação de ligação[56].
3.1.2 O Método DFT
A teoria do funcional da densidade (DFT) é baseada nos teoremas de HohenbergKohn[57-60], que afirmam, essencialmente, que (i) as propriedades do estado fundamental de
um sistema molecular podem ser determinadas pela densidade eletrônica, ρ(r); (ii) a relação
27
(funcional) entre energia e densidade eletrônica existe e é universal. Contudo, ainda não foi
encontrada uma representação analítica para esta relação entre a densidade e a energia.
A proposta dos métodos baseadas na teoria DFT é utilizar a densidade eletrônica ao
invés da função de onda. A principal vantagem dessa abordagem consiste na redução da
dimensionalidade do problema. Por exemplo, a função de onda para n-elétrons contém 3nvariáveis (três para cada elétron) mais a parte de spin, enquanto que a densidade eletrônica é
definida como o quadrado da função de onda integrada sobre (n–1) coordenadas eletrônicas.
Portanto, a densidade eletrônica depende somente de três coordenadas, independentemente do
número de elétrons. Dessa forma, enquanto a complexidade de função de onda aumenta com
o número de elétrons, a densidade eletrônica tem sempre o mesmo número de variáveis.
Conforme mencionado anteriormente, a expressão analítica para o funcional da
densidade eletrônica não é conhecida. Dessa forma, existem várias aproximações para
descrever este funcional, que conduzem aos diversos métodos DFT.
Os mais amplamente utilizados são os métodos baseados nos chamados “funcionais
híbridos”, que combinam vários funcionais, dentre os quais se destacam correções do
gradiente para a aproximação LDA (Local Density Aproximation), através do funcional
desenvolvido por Becke
[44]
, funcional para a correlação e troca de Lee-Yang-Parr (LYP)[61],
além de alguns parâmetros empíricos. O método híbrido B3LYP é hoje amplamente utilizado
para o cálculo de diversas propriedades do estado fundamental, e utiliza parâmetros empíricos
ajustados a partir de dados experimentais do conjunto de propriedades moleculares G1[62].
Considerando a aplicabilidade do DFT para sistemas fracamente ligados, como é o
caso dos complexos de hidrogênio, algumas generalizações já foram observadas:
(i) a aproximação LDA superestima a energia das ligações de hidrogênio[63-64];
(ii) as aproximações do gradiente generalizado (GGA) e funcionais híbridos são mais
exatos na descrição das ligações de hidrogênio que a aproximação que LDA;
(iii) as GGA´s associadas com os funcionais híbridos mais comuns utilizados para
tratar ligações de hidrogênio, BLYP e B3LYP, geralmente subestimam a energia das ligações
de hidrogênio em relação aos resultados experimentais ou teóricos (MP2 ou CC).
Recentemente, outras GGA’s, como Perdew-Wang (PW91)[65], aproximação de Becke e
28
expressão de Perdew para correlação (PB)[46], ou ainda, o funcional meta-GGA de Perdew,
Burke e Ernzerhof (PBE)[49] , estão sendo aplicados para estudos das ligações de hidrogênio,
apresentando bons resultados.
O método DFT-PBE foi analisado para um conjunto de dímeros formados por ligação
de hidrogênio[66]. Este estudo apresentou resultados para as energias das ligações de
hidrogênio com um erro médio de 1,0 kcal mol–1. A geometria foi bem descrita, com exceção
de alguns casos relacionados com o ângulo da ligação de hidrogênio. As diferenças
apresentadas entre DFT e MP2 na descrição das ligações de hidrogênio vêm da conhecida
deficiência das implementações atuais para a descrição da dispersão de energia.
O aumento da popularidade dos métodos baseadas em DFT pode ser atribuído
principalmente à possibilidade de se estudar sistemas moleculares com elevados números de
átomos, a um custo computacional relativamente menor em relação aos métodos ab initio
tradicionais. Além disso, há grande confiabilidade nos resultados obtidos, comparável a
cálculos ab initio mais rigorosos que incluem o efeito da correlação eletrônica e a dados
experimentais[60].
3.2. Energia de Estabilização e suas Correções
Uma propriedade fundamental para a caracterização da ligação de hidrogênio é a
energia de estabilização. Esta propriedade é calculada utilizado a Aproximação da
Supermolécula[67], onde a energia da ligação de hidrogênio, ΔE, é obtida pela diferença
entre a soma das energias dos monômeros (moléculas livres: EHX + ER) e a energia total do
complexo de hidrogênio, (ER---HX ) conforme as seguintes equações:
ΔE = ∑ E monômeros − E complexo de hidrogênio
Ou
(3.1)
ΔE = [E (HX ) + E (R )] - E(R L HX )
A energia de estabilização fornece valores positivos quando a o complexo formado é
mais estável que os monômeros. Na seção de resultados e discussões serão apresentados
valores positivos de energia da ligação de hidrogênio referentes a energia de estabilização.
29
Para efeito de comparação entre os complexos formados quanto maior o valor da energia de
estabilização mais estável será o complexo. É importante destacar a diferença entre energia
de
estabilização
e
energia
de
complexação.
A
energia
de
complexação
( ΔE complexação = E complexo de hidrogênio − ∑ E monômeros ) apresenta valores negativos quando os
complexos formados são mais estáveis que os monômeros.
O cálculo é efetuado utilizando-se a mesma função de base para descrever os
fragmentos individuais e o complexo.
Neste caso, o complexo de hidrogênio é descrito por um conjunto de base formado
pela superposição das funções de base das moléculas individuais. A utilização de funções
de base centradas nos átomos e incompletas gera um erro que foi apontado pela primeira
vez em 1968, por Kestner[68], que afirmou: “o conjunto de base utilizado para descrever o
complexo R---HX é formado pela superposição dos conjuntos de base de R e HX. Assim
sendo, a energia do complexo torna-se mais negativa do que deveria, fornecendo uma
maior energia de estabilização para o complexo de hidrogênio”.
Esse erro introduzido no cálculo da energia de ligação de hidrogênio é inerente a
qualquer cálculo de estrutura eletrônica que faça uso de uma base finita (truncada) e é
conhecido como Erro de Superposição do Conjunto de Base (BSSE).
O BSSE resulta em erros consideráveis no cálculo da energia de estabilização.
Existem vários procedimentos para corrigi-lo. Um dos mais comumente utilizados é o
chamado método counterpoise, introduzido por Boys e Bernardi[69]. Segundo este método, a
energia do complexo é corrigida dada pela seguinte equação:
ΔE Corr = [E (HX) RLHX + E (R )RLHX ] - E(R L HX )RLHX
(3.2)
onde os subscritos indicam que as funções de base de ambas as sub-unidades HX e R são
utilizadas para descrever os fragmentos e o complexo. Nesta correção, o cálculo da energia
de HX, E (HX )R LHX , considera os orbitais de HX acrescidos dos orbitais de R, porém
estes últimos sem os núcleos e os elétrons, sendo denominados de orbitais fantasmas (ghost
orbitals). O cálculo da energia de R, E (R )R LHX , é realizado de maneira idêntica, sendo
que, agora, as funções de base de HX é que são os orbitais fantasmas.
30
O BSSE é calculado como a diferença entre a energia de ligação de hidrogênio, ΔE,
e a energia de ligação de hidrogênio corrigida, ΔEcorr, de acordo com a equação (3.3):
BSSE = ΔE - ΔE Corr
(3.3)
No presente trabalho o cálculo do BSSE foi realizado conforme implementação no
programa Gaussian03, onde esse efeito é incluído na superfície de energia potencial durante
o processo de otimização de geometria. Dessa forma, o efeito do BSSE é quantificado tanto
para as propriedades estruturais quanto para as energéticas.
Além do BSSE, foi incluída a correção da Energia Vibracional do Ponto Zero
(ZPVE), cujos valores são obtidos a partir dos cálculos dos espectros vibracionais das
espécies livres e dos complexos de hidrogênio. A correção ZPE foi realizada devido à
necessidade de considerar os níveis de energia quantizados correspondentes aos modos
normais de vibração das moléculas de modo a garantir uma melhor determinação do mínimo
de energia potencial para os sistemas em estudo “complexos de hidrogênio”.
3.3 – Efeito do Solvente
A maioria das reações em química e bioquímica ocorre em meio condensado,
particularmente em soluções aquosas. Para a realização de simulações adequadas do meio
reacional deve-se considerar os efeitos do solvente, que têm se mostrado de fundamental
importância para vários processos químicos e biológicos e vêm recebendo considerável
atenção nos últimos anos.
Os métodos que incluem a influência do solvente nos cálculos de estrutura eletrônica
podem ser classificados em dois grupos: métodos contínuos ou dielétricos e métodos
discretos[70]. Os modelos contínuos de solvatação descrevem o solvente como um meio
dielétrico (sem estrutura), onde o soluto é inserido dentro de uma cavidade.
Atualmente estes métodos se encontram implementados em muitos programas de
química quântica. Já os modelos discretos de solvatação tratam o solvente considerando suas
moléculas individuais, que interagem com o soluto via métodos clássicos ou quânticos. Este
modelo soluciona, pelo menos parcialmente, os problemas do modelo contínuo, uma vez que
descreve apropriadamente as interações específicas entre soluto e solvente. Os modelos
31
discretos, contudo, apresentam uma demanda computacional muito maior que os modelos
contínuos, e são geralmente dependentes da posição inicial das moléculas de solvente ao redor
do soluto.
Neste trabalho o efeito solvente foi incluído utilizando o modelo contínuo de
Onsager[71] (dipolo e esfera). Neste modelo o campo reacional é uma esfera. O soluto ocupa
uma cavidade esférica, de raio ao dentro do solvente. Um dipolo na molécula irá induzir um
dipolo no meio, e o campo elétrico aplicado pelo dipolo do solvente irá interagir com o dipolo
molecular, levando a estabilização do sistema. O solvente escolhido para simulação foi a
água, já que os sistemas estudados são obtidos experimentalmente em meio aquoso.
3.4. Mecanismo de Reação
As etapas envolvidas no estudo de reações utilizando a química computacional
consistem em caracterizar os reagentes, os produtos e o estado de transição na curva de
energia potencial (PES). Para muitas reações a PES pode ser bastante complicada, portanto
não é simples a determinação do estado de transição que conecta reagente e produtos
desejados. Além disto, as informações da PES ao longo do caminho de reação são importantes
para se obter informações sobre o controle das reações: cinético e termodinâmico.
Pode-se definir o caminho de reação como sendo o percurso descendente a partir do
estado de transição, na direção de reagentes e produtos na PES. Computacionalmente, existem
vários procedimentos para se calcular o caminho de reação a partir da caracterização do
estado de transição. Quando as coordenadas cartesianas ponderadas pelas massas são usadas,
o caminho de reação é obtido pelo método IRC[72-73]. Fisicamente, o IRC é a solução da
equação do movimento dos núcleos os quais se movem sobre a PES com uma velocidade
infinitesimal[74] .
Para sistematizar o procedimento computacional adotado para a investigação de
mecanismos de reações, pode-se dividi-lo nas seguintes etapas:
1. Otimização completa das geometrias de reagentes e produtos;
2. Busca pelo estado de transição. Esta etapa pode ser feita utilizando os
algoritmos de busca implementados no programa Gaussian. Por exemplo, o
procedimento QST2 utiliza as estruturas de reagentes e produtos e encontra
32
uma possível estrutura que conecta as duas primeiras. Para mecanismos mais
complexos é preciso ter uma idéia da estrutura do estado de transição e usar o
procedimento QST3, que requer, além das geometrias de reagentes e produtos,
uma terceira estrutura como “tentativa” para o estado de transição;
3. Otimização e caracterização do estado de transição. A caracterização é feita
através de um cálculo de constantes de força. O resultado deve conter uma
única constante de força negativa, o que resulta numa freqüência imaginária.
Este resultado caracteriza um máximo na coordenada de reação e o modo
normal referente à freqüência imaginária deve conectar reagente e produto.
4. A coordenada de reação propriamente dita é obtida através de um cálculo IRC.
Na próxima seção descreveremos os detalhes da realização desses cálculos,
considerando as palavras-chaves utilizadas.
3.5. Procedimento Computacional
A geração e a visualização das estruturas foram realizadas com os programas
MOLDEN[75] e Gaussview[76]. Os cálculos de química quântica foram realizados com os
programas Gaussian 98[77] e Gaussian 03[78]. Em todos os casos utilizaram-se os critérios de
convergência internos padrões dos programas, exceto para cálculos da energia da ligação de
hidrogênio dos complexos heterocíclicos, em que se utilizaram critérios mais precisos de
otimização (OPT=VERYTIGHT e INTEGRAL=ULTRAFINE).
A configuração das entradas para os cálculos para inclusão do efeito do solvente é
realizada através da palavra chave:
SCRF=DIPOLE e SOLVENTE=WATER,
Sendo a constante dielétrica da água igual a ε = 78,39 J-1 C2 m-1.
A sistematização do procedimento computacional adotado no estudo do mecanismo de
reação de abertura do anel, juntamente com as palavras-chave, pode ser dividido nas seguintes
etapas:
33
1- Otimização completa das geometrias de reagentes e produtos. No Gaussian, esse cálculo é
configurado através das seguintes palavras-chave:
# opt freq=noraman PBE1PBE/6-311++ G (d,p)
2- Busca pela estrutura do estado de transição, usando o método QST2. Neste procedimento é
necessário ter as geometrias otimizadas de reagentes e produtos no mesmo arquivo. Essas
geometrias devem ter a mesma ordem de numeração dos átomos. A entrada para esse cálculo
pode ser preparada com o programa GaussView da seguinte forma: abre-se inicialmente a
geometria otimizada do reagente e em seguida a do produto, observando-se a opção “Target”
no menu “Open Files”, onde se deve escolher a opção “Add all files to active molecule
group”. Dessa forma, têm-se as duas geometrias no mesmo arquivo. Finalmente as palavras-
chave escolhidas para realização dos cálculos são as seguintes:
#opt= (calcfc,qst2) PBE1PBE/6-311++ G (d,p)
3- Confirmação da geometria do estado de transição, a partir do resultado anterior. Esta
confirmação é feita através de um cálculo de constantes de força, onde se deve obter apenas
uma freqüência imaginária, correspondente a uma constante de força negativa. Esse resultado
diz respeito ao ponto de máximo na coordenada de reação. A freqüência imaginária é
mostrada na saída do cálculo como sendo negativa, mas é importante chamar a atenção que na
verdade o valor negativo corresponde à constante de força. Neste caso, as forças atuantes no
sistema são ditas auxiliadoras. A configuração do cálculo é feita através das palavras-chave:
# opt=(calcfc,ts) freq PBE1PBE/6-311++ G (d,p)
4- Após a caracterização do estado de transição determinam-se alguns pontos ao redor do
máximo, de modo a confirmar o caminho descendente em direção a produto e reagente.
Conforme a implementação do Gaussian, este cálculo é feito através do IRC com as seguintes
palavras-chave:
# irc=(maxpoints=10,calcfc) PBE1PBE/6-311++ G (d,p)
34
RESULTADOS E DISCUSSÕES
35
4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados obtidos para as
propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais dos complexos de hidrogênio R-C2H3O--HF, com R=H, H3C- e HO-, utilizando-se os métodos Hartree-Fock (RHF) e a Teoria do
Funcional da Densidade (DFT), com os funcionais híbridos B3LYP e PBE1PBE, utilizando o
conjunto de base 6-311++ G (d,p). As estruturas otimizadas para os complexos de hidrogênio,
R-C2H3O---HF, são usadas como reagentes no estudo do mecanismo para a reação de abertura
do anel da oxirana catalisadas pelo ácido fluorídrico.
Considerando os diversos métodos empregados no presente trabalho, também são
realizadas comparações entre os valores obtidos para as propriedades estruturais e
vibracionais, como também para a energia intermolecular dos complexos. Com respeito às
propriedades estruturais, são consideradas as mudanças nos comprimentos das ligações
diretamente envolvidas na formação da ligação de hidrogênio, ou seja, CO (no heterocíclicos)
e HF.
Uma etapa preliminar deste trabalho consistiu em avaliar qual a direção mais
favorável para a interação entre o HF e os heterocíclicos H3C-C2H3O-HF e HO-C2H3O-HF, já
que são possíveis duas conformações: (1º) a espécie HF ataca o oxigênio da oxirana
substituída do mesmo lado do grupo substituinte e (2º) do lado oposto do grupo do
substituinte em relação ao plano do anel. Na figura 4.1 são mostrados essas conformações,
bem como suas respectivas energias de estabilização.
36
a
(ΔE = 44,20 kJ mol-1)
b
(ΔE = 44,90 kJ mol-1)
c
(ΔE = 40,00 kJ mol-1)
d
(ΔE = 41,45 kJ mol-1)
Figura 4.1. Representações das possíveis interações da espécie HF com os pares de elétrons
não-compartilhados do oxigênio presentes na metil-oxirana e na hidroxi-oxirana,
na formação dos complexos de hidrogênio. Resultados obtidos utilizando o
método B3LYP/6-311++ G (d,p).
Os resultados indicam que os complexos de hidrogênio com a espécie HF no lado
oposto aos grupos CH3 e OH em relação ao plano da oxirana são os mais estáveis, conforme
observado em trabalhos anteriores[79]. Esta configuração foi adotada para os demais cálculos.
A seguir são mostrados os resultados obtidos, em termos das propriedades estruturais,
eletrônicas e vibracionais dos complexos de hidrogênio sob investigação.
37
4.1 - Propriedades Estruturais.
Os resultados obtidos para os parâmetros estruturais fornecem várias informações a
respeito das modificações devidas à formação do complexo, dentre as quais se pode destacar:
•
Aumento pronunciado do comprimento da ligação sigma em HF (D5);
•
Mudanças menos significativas nos comprimentos das ligações sigma rCC (D1) e
aumento pronunciados nos comprimentos das ligações rCO (D2 e D3) bem como
nos ângulos internos (A1 e A2), consistentes com a abertura do anel catalisada por
ácido.
Nas Figuras 4.2 e 4.3 é ilustrada a notação utilizada para caracterizar os parâmetros
estruturais, referentes aos monômeros e aos complexos de hidrogênio, que auxilia a análise
dos dados mostrados nas tabelas e nos gráficos de barras subseqüentes.
Figura 4.2. Esquema ilustrando os comprimentos (D1, D2, D3 e D4) e os ângulos (A1, A2 e
A3) de ligação nos monômeros C2H4O, H3C-C2H3O e HO-C2H3O.
Figura 4.3. Comprimentos (D1, D2, D3, D4, D5 e D6) e os ângulos (A1, A2 e A3) de ligação nos
complexos de hidrogênio C2H4O---HF, H3C-C2H3O---HF e HO-C2H3O---HF. O
parâmetro D6 corresponde ao comprimento da ligação de hidrogênio.
38
Nas Tabelas 4.1 e 4.2 são apresentados, respectivamente, os valores de comprimentos
de ligação (D1, D2, D3, D4, D5 e D6) e, nas Tabelas 4.3 a 4.4, são mostrados os ângulos de
ligações (A1, A2 e A3), obtidos a partir da otimização de geometria dos monômeros e
complexos de hidrogênio, pelos métodos RHF, DFT/B3LYP e DFT/PBE1PBE, com o
conjunto de base 6-311++G(d,p). Os valores experimentais disponíveis são incluídos nas
tabelas, possibilitando relacioná-los com os resultados teóricos obtidos.
Tabela 4.1. Parâmetros estruturais (comprimentos de ligação) obtidos a partir dos cálculos
RHF/6-311++G(d,p), B3LYP/6-311++G(d,p) e PBE1PBE/6-311++G(d,p),
incluindo a correção do BSSE para os complexos de hidrogênio.
Compostos
HF
C2H4O
C2H4O---HF
HO-C2H3O
HO-C2H3O---HF
H3C-C2H3O
H3C-C2H3O---HF
Métodos
D1
D2
D3
D4
D5
D6(O---H)
RHF
B3LYP
PBE1PBE
Experimental
RHF
B3LYP
PBE1PBE
Experimental
RHF
B3LYP
PBE1PBE
Experimental
RHF
B3LYP
PBE1PBE
RHF
B3LYP
PBE1PBE
RHF
B3LYP
PBE1PBE
RHF
⎯
⎯
⎯
⎯
1,454
1,467
1,461
1,472b
1,453
1,466
1,461
⎯
⎯
⎯
⎯
1,400
1,431
1,418
1,436b
1,408
1,443
1,430
⎯
⎯
⎯
⎯
1,400
1,431
1,418
1,436b
1,408
1,443
1,430
⎯
⎯
⎯
⎯
1,077
1,087
1,088
1,082b
1,076
1,085
1,086
0,897
0,922
0,918
0,917a
⎯
1,443
1,457
1,452
1,443
1,456
1,452
1,454
1,468
1,463
1,454
⎯
1,384
1,419
1,408
1,397
1,443
1,430
1,403
1,436
1,423
1,413
⎯
1,414
1,447
1,432
1,421
1,456
1,441
1,403
1,435
1,421
1,411
⎯
1,363
1,383
1,373
1,356
1,371
1,362
1,504
1,505
1,498
1,502
⎯
⎯
⎯
⎯
0,909
0,945
0,941
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
1,812
1,682
1,667
1,700c
⎯
⎯
⎯
0,910
⎯
⎯
⎯
1,798
B3LYP
1,468
1,452
1,446
1,502
0,947
1,669
PBE1PBE
1,462
1,437
1,432
1,495
0,943
1,653
⎯
⎯
⎯
⎯
0,909
0,945
0,941
⎯
⎯
⎯
1,819
1,686
1,67
*Valores dos comprimentos de ligação em Angströns (Ǻ)
a
Ref. [80], bRef [81] e cRef [82]
39
Tabela 4.2. Parâmetros estruturais (comprimentos de ligação) obtidos a partir dos cálculos
RHF/6-311++G(d,p), B3LYP/6-311++G(d,p), PBE1PBE/6-311++G(d,p) e
PBE1PBE/6-311++G(d,p) (Onsager), sem correção do BSSE.
Compostos
Métodos
D1
D2
D3
D4
D5
D6(O---H)
RHF
⎯
⎯
⎯
⎯
0,897
⎯
B3LYP
⎯
⎯
⎯
⎯
0,922
⎯
PBE1PBE
⎯
⎯
⎯
⎯
0,918
⎯
PBE1PBE(Onsager)
⎯
⎯
⎯
⎯
0,920
⎯
Experimental
⎯
⎯
⎯
⎯
0,917
a
⎯
RHF
1,454
1,400
1,400
1,077
⎯
⎯
B3LYP
1,467
1,431
1,431
1,087
⎯
⎯
PBE1PBE
1,461
1,418
1,418
1,088
⎯
⎯
1,459
1,423
1,423
1,087
⎯
⎯
Experimental
1,472
b
1,436
b
1,436
b
1,082
b
⎯
⎯
RHF
1,453
1,409
1,409
1,076
0,910
1,781
B3LYP
1,466
1,443
1,443
1,085
0,947
1,662
PBE1PBE
1,461
1,43
1,43
1,086
0,943
1,647
1,459
1,435
1,435
1,086
0,952
1,594
Experimental
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
1,700c
RHF
1,443
1,384
1,414
1,363
⎯
⎯
B3LYP
1,457
1,419
1,447
1,383
⎯
⎯
PBE1PBE
1,452
1,408
1,432
1,373
⎯
⎯
1,461
1,390
1,440
1,382
⎯
⎯
RHF
1,443
1,397
1,422
1,355
0,910
1,787
B3LYP
1,456
1,443
1,456
1,371
0,947
1,665
PBE1PBE
1,452
1,43
1,441
1,362
0,943
1,649
1,451
1,448
1,445
1,352
0,953
1,594
RHF
1,454
1,403
1,403
1,504
⎯
⎯
B3LYP
1,468
1,436
1,435
1,505
⎯
⎯
PBE1PBE
1,463
1,423
1,421
1,498
⎯
⎯
1,461
1,427
1,424
1,497
⎯
⎯
RHF
1,454
1,413
1,412
1,502
0,911
1,767
B3LYP
1,468
1,451
1,446
1,502
0,948
1,649
PBE1PBE
1,462
1,437
1,432
1,495
0,945
1,634
1,461
1,445
1,436
1,494
0,954
1,582
HF
C2H4O
PBE1PBE(Onsager)
C2H4O---HF
PBE1PBE(Onsager)
HO-C2H3O
PBE1PBE(Onsager)
HO-C2H3O---HF
PBE1PBE(Onsager)
H3C-C2H3O
PBE1PBE(Onsager)
H3C-C2H3O---HF
PBE1PBE(Onsager)
*Valores dos comprimentos de ligação em Angströns (Ǻ)
a
Ref [80] ,
b
Ref [81] e
c
Ref [82]
40
Tabela 4.3. Parâmetros estruturais (ângulos de ligação) obtidos a partir dos cálculos RHF/6-
311++G(d,p), DFT/B3LYP/6-311++G(d,p) e DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p),
incluindo a correção do BSSE para os complexos de hidrogênio.
Compostos
C2H4O
C2H4O---HF
HO-C2H3O
HO-C2H3O---HF
H3C-C2H3O
H3C-C2H3O---HF
Métodos
A1
A2
A3
RHF
B3LYP
PBE1PBE
Experimental
RHF
B3LYP
PBE1PBE
Experimental
RHF
B3LYP
PBE1PBE
RHF
B3LYP
PBE1PBE
RHF
B3LYP
PBE1PBE
RHF
62,57
61,68
62,04
61,64a
62,13
61,07
61,44
61,60b
62,09
61,08
61,48
61,60
60,31
60,75
62,43
61,52
61,90
61,96
58,72
59,16
58,98
58,72
59,16
58,98
⎯
58,94
59,47
59,28
⎯
58,94
59,47
59,28
⎯
57,92
58,53
58,43
58,36
59,41
59,24
58,76
59,30
59,12
59,06
⎯
59,99
60,39
60,08
60,03
60,27
60,01
58,81
59,18
58,99
58,97
B3LYP
60,86
59,76
59,38
PBE1PBE
61,26
59,55
59,19
*Valores dos ângulos de ligação em Graus (º)
a
Ref [81] e bRef [82]
41
Tabela 4.4. Parâmetros estruturais (ângulos de ligação) obtidos a partir dos cálculos RHF/6-
311++G(d,p), DFT/B3LYP/6-311++G(d,p) e DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p),
sem a correção do BSSE para os complexos de hidrogênio.
Compostos
C2H4O
C2H4O--HF
HO-C2H3O
HO-C2H3O--HF
H3C-C2H30
H3C-C2H3O-HF
Métodos
A1
A2
A3
RHF
62,57
58,72
58,72
B3LYP
61,68
59,16
59,16
PBE1PBE
62,04
58,98
58,98
PBE1PBE (Onsager)
61,69
59,14
59,17
Experimental
61,64
⎯
⎯
RHF
62,10
58,95
58,95
B3LYP
61,07
59,47
59,47
PBE1PBE
61,44
59,28
59,28
PBE1PBE (Onsager)
61,08
59,46
59,46
a
Experimental
61,60
⎯
⎯
RHF
62,09
57,92
59,99
B3LYP
61,08
58,53
60,39
PBE1PBE
61,48
58,43
60,08
PBE1PBE (Onsager)
62,17
57,24
60,60
RHF
61,58
58,38
60,04
B3LYP
60,31
59,42
60,27
PBE1PBE
60,74
59,25
60,01
PBE1PBE (Onsager)
60,19
60,00
59,81
RHF
62,43
58,76
58,81
B3LYP
61,52
59,30
59,18
PBE1PBE
61,90
59,12
58,99
PBE1PBE (Onsager)
61,97
59,25
59,07
RHF
61,95
59,07
58,99
B3LYP
60,87
59,75
59,38
PBE1PBE
61,27
59,53
59,20
PBE1PBE (Onsager)
60,94
59,81
59,25
b
*Valores dos ângulos de ligação em Graus (º)
a
Ref [81] e bRef [82]
42
Analisando os resultados apresentados nas Tabelas 4.1 e 4.2, referentes aos
comprimentos de ligação nos monômeros, C2H4O, H3C-C2H3O e HO-C2H3O, e nos
complexos de hidrogênio, C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e a H3C-C2H3O---HF, pode ser
ressaltado que os cálculos DFT apresentam, em geral, resultados mais próximos dos
experimentais. É importante observar que os funcionais híbridos B3LYP e PBE1PBE
apresentam resultados próximos entre si.
Em contrapartida, os cálculos RHF apresentam resultados mais divergentes dos
experimentais. Vale destacar que para inclusão do efeito solvente utilizou-se apenas o método
PBE1PBE/6-311++G(d,p), como mostrado nas Tabelas 4.2 e 4.4. Esta escolha se deu pelo
melhor desempenho deste método frente aos demais analisados. Além disto, não foi possível
incluir correções do BSSE para este sistema.
Outro aspecto importante diz respeito ao cálculo da correção do BSSE na superfície de
energia potencial. O efeito mais pronunciado desta correção foi obtido para o comprimento da
ligação de hidrogênio (D6).
O gráfico da Figura 4.4 mostra os valores dos incrementos nos comprimentos das
ligações devidos á formação dos complexos de hidrogênio. Podem ser observadas mudanças
pronunciadas nos comprimentos de rCO (D2 e D3) e rHF (D5).
Tais mudanças são consistentes com a ruptura do anel via ligações CO, posteriormente
á formação dos complexos de hidrogênio, o que se justifica pelo fato de que tais ligações são
mais suscetíveis ao ataque eletrofilico da espécie HF. Nestes casos, o ácido monoprótico
recebe carga proveniente dos pares de elétrons não-compartilhados do oxigênio do
heterocíclico, ocasionando um aumento do comprimento de sua ligação sigma.
Posteriormente, no Item 4.5, será realizada uma abordagem mais minuciosa dessas reações,
enfocando um estudo relacionado à tendência de abertura do anel dos heterociclos, frente à
catálise ácida.
43
H3C-C2H3O--HF
HO-C2H3O--HF
C2H4O--HF
0,030
0,025
0,020
δ Di [ Å]
0,015
0,010
0,005
0,000
-0,005
-0,010
-0,015
D1
D2
D3
D4
D5
Comprimentos de Ligação dos Complexos de Hidrogênio
Figura 4.4. Incrementos nos comprimentos das ligações (D1-D2-D3-D4-D5) devidos à
formação dos complexos de hidrogênio, C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3CC2H3O---HF, obtidos com o método DFT/PBE1PBE, incluindo a correção
counterpoise.
Ainda com respeito ao gráfico de barras da Figura 4.4, pode ser observado que o
incremento δD2, relacionado com a abertura do anel das oxiranas assimétricas, apresenta o
valor mais significante para o complexo HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, sendo o
incremento δD2, para o complexo HO-C2H3O---HF. Este incremento, bem como o δD5 é
analisado mais detalhadamente na seção 4.5 (estudo do mecanismo de reação).
O gráfico da Figura 4.5 permite avaliar o valor do incremento no comprimento da
ligação sigma da espécie HF, δD5, obtido com as diversas metodologias de cálculo, incluindo
a correção counterpoise. O incremento obtido pelo método RHF apresentou-se como o de
menor valor, quando comparado com aqueles obtidos pelo método DFT com ambos os
funcionais híbridos, B3LYP e PBE1PBE, sendo que estes últimos apresentaram valores
similares.
44
PBE1PBE
B3LYP
HARTREE-FOCK
0,028
0,026
0,024
0,022
δ D5[Å]
0,020
0,018
0,016
0,014
0,012
0,010
Metil-Oxirana-HF Hidroxi-Oxirana-HF
Oxirana-HF
Complexos de Hidrogênio
Figura 4.5. Incrementos nos comprimentos da ligação HF, δD5, devidos à formação dos
complexos de hidrogênio, C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF,
segundo os métodos RHF, B3LYP e PBE1PBE, incluindo a correção
counterpoise.
Analisando conjuntamente os gráficos das Figuras 4.4. e 4.5, com respeito ao
incremento δD5, os valores obtidos para o complexo H3C-C2H3O---HF são superiores àqueles
obtidos para os complexos C2H4O--HF e OH-C2H3O--HF. É importante salientar que este
resultado é independente da inclusão da correção counterpoise e do tipo de cálculo realizado.
Na Figura 4.6, o gráfico de barras permite avaliar os resultados obtidos para o
comprimento da ligação de hidrogênio, RO---H. Neste caso, foram acrescentados os resultados
dos cálculos que incluem o efeito do solvente, PBE1PBE-Onsager. O PBE1PBE-Onsager foi
o método que forneceu os menores valores para o comprimento da ligação de hidrogênio, fato
que pode ser justificado pela maior estabilização do complexo em fase aquosa.
45
PBE1PBE
B3LYP
HARTREE-FOCK
PBE1PBE (Onsager)
1,900
D6 [Å]
1,800
1,700
1,600
1,500
1,400
Metil-Oxirana-H-F Hidroxi-Oxirana-H-F
Oxirana-H-F
Complexos de Hidrogênio
Figura 4.6. Comprimentos da ligação intermolecular (D6) nos complexos de hidrogênio
C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, incluindo o método
PBE1PBE (Onsager). Sem a correção counterpoise.
O método DFT, com ambos os funcionais híbridos, foi o que apresentou os menores
valores para o comprimento da ligação de hidrogênio, quando comparado com o método
RHF. Independente do método utilizado, o comprimento da ligação intermolecular é
semelhante para os complexos C2H4O---HF e H3C-C2H3O---HF, mostrando-se maior para o
complexo HO-C2H3O---HF. Pode-se sugerir que o efeito retirador de elétrons do grupo OH,
presente no heterocíclico, provoque um enfraquecimento da ligação intermolecular, ou seja,
uma desestabilização do complexo de hidrogênio HO-C2H3O---HF, em relação aos demais
complexos.
Complementando as análises referentes aos parâmetros estruturais, faz-se necessária
uma avaliação das mudanças ocorridas nos ângulos internos (A1, A2 e A3), devido à
formação da ligação intermolecular nos complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O--HF e H3C-C2H3O---HF. Os valores das mudanças nos ângulos internos, δAi, utilizados na
construção do gráfico de barras da Figura 4.7, foram obtidos incluindo-se a correção do
BSSE.
46
Nos monômeros, os ângulos internos se apresentam altamente tencionados, conforme
análise dos resultados mostrados nas Tabelas 4.3 e 4.4. Com a formação dos complexos de
hidrogênio esse efeito tende a se pronunciar, promovendo uma maior facilidade à abertura do
anel das oxiranas.
C2H4O--HF
HO-C2H30--HF
H3C-C2H3O--HF
1,00
0,80
0,60
0,40
δ Ai [°]
0,20
0,00
-0,20
-0,40
-0,60
-0,80
A1
A2
A3
Ângulos Internos dos Complexos de Hidrogênio
Figura 4.7. Mudanças nos ângulos internos dos heterociclos, δAi, quando da formação dos
complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF,
obtidos com o método PBE1PBE, incluindo a correção counterpoise.
De acordo com o gráfico apresentado, os valores referentes à mudança no ângulo A2,
δA2, apresentam as maiores variações para os três complexos estudados, sendo o complexo
HO-C2H3O---HF o que mostrou uma maior diferença.
47
4.2. Propriedades Eletrônicas.
Na Tabela 4.5 são apresentados os valores da energia intermolecular, ΔE, e da energia
intermolecular corrigida, ΔEcorr, que inclui as correções do erro de superposição de base
(BSSE) e da energia vibracional do ponto zero (ZPE), para a série de complexos de
hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, empregando os três métodos.
Tabela 4.5. Valores de ΔE, ΔEcorr, BSSE e ZPE, para os complexos de hidrogênio C2H4O---
HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtidos com os métodos RHF,
B3LYP e PBE1PBE e o conjunto de base 6-311++G(d, p).
Complexos
Métodos
RHF
C2H4O---HF
B3LYP
PBE1PBE
RHF
HO-C2H3O---HF
B3LYP
PBE1PBE
RHF
H3C-C2H30---HF
B3LYP
PBE1PBE
*Valores de ΔE, ΔZPE e ΔEcorr em kJ mol-1
ΔE
BSSE
ΔZPE
ΔEcorr
32,23
38,90
39,48
30,56
37,73
38,41
33,91
41,11
41,67
3,43
4,04
4,28
3,06
3,67
3,94
3,27
3,73
3,98
9,23
9,77
9,80
8,65
9,13
9,16
8,99
9,33
9,33
23,00
29,13
29,68
21,91
28,60
29,25
24,92
31,78
32,35
A partir dos valores da energia da ligação de hidrogênio corrigida, ΔEcorr, foi
construído o gráfico mostrado na Figura 4.8. Os cálculos PBE1PBE forneceram os maiores
valores para a energia de estabilização dos complexos de hidrogênio, apresentando também as
maiores correções BSSE e ZPE.
Dentre os três tipos de complexos de hidrogênio, independentemente do método
empregado (RHF, B3LYP ou PBE1PBE), o complexo HO-C2H3O---HF apresentou a menor
energia de estabilização, o que é consistente com os resultados obtidos para o menor
incremento em D5 (comprimento da ligação sigma em HF) e com o maior valor atribuído à
D6 (comprimento da ligação de hidrogênio). Em contrapartida, o complexo H3C-C2H3O---HF,
apresentou a maior energia de estabilização, corroborando com o maior incremento em D5 e
com o menor valor de D6.
48
Esta estabilidade adicional do complexo H3C-C2H3O---HF pode ser atribuída ao grupo
–CH3, que apresenta efeito indutivo positivo, ou seja, corresponde a um grupo doador de
elétrons para o anel da oxirana substituída, H3C-C2H3O, favorecendo a interação de um dos
pares de elétrons não-compartilhados do oxigênio do anel com o hidrogênio deficiente de
elétrons na espécie HF. O grupo –OH, por sua vez, é um grupo retirardor de elétrons,
dificultando, dessa forma, a interação entre um dos pares de elétrons não-compartilhados do
oxigênio do anel com o hidrogênio da espécie HF.
HARTREE-FOCK
B3LYP
PBE1PBE
34,00
ΔE
corr
-1
[ kJ mol ]
32,00
30,00
28,00
26,00
24,00
22,00
20,00
Metil-Oxirana-HF OH-Oxirana-HF
Oxirana-HF
Complexos de Hidrogênio
Figura 4.8. Energia intermolecular, incluindo as correções BSSE e ZPE, para os complexos
de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF.
O gráfico da Figura 4.9 mostra a regressão linear dos valores obtidos para a energia
intermolecular corrigida, ΔEcorr, versus os valores do comprimento da ligação de hidrogênio
RO—H (D6), obtidos com inclusão da correção counterpoise calculados com o método
PBE1PBE/6-311++G (d, p). Pode-se observar a maior estabilidade do complexo H3C-C2H3O--HF, com um valor intermediário para C2H4O---HF, seguido de um valor menor para o
complexo HO-C2H3O---HF. O coeficiente de correlação próximo de -1 (-0,99929) indica uma
relação linear inversa entre os valores da energia intermolecular e o comprimento da ligação
de hidrogênio, para a série de complexos investigada.
49
33,00
32,50
H3C-C2H3O--HF
-1
]
31,00
ΔE
Corr
31,50
[ kJ mol
32,00
Y = 338,07599 - 184,95951X
R = - 0,99929
30,50
30,00
C2H4O--HF
29,50
HO-C2H3O--HF
29,00
28,50
28,00
1,650 1,653 1,656 1,659 1,662 1,665 1,668 1,671 1,674
R O--H [Å]
Figura 4.9. Energia de estabilização corrigida (ΔEcorr) versus comprimentos de ligação
intermolecular (R
O--H)
para os complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-
C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtidos com o método PBE1PBE/6311++G (d, p).
Na Tabela 4.6 são mostrados os valores referentes aos complexos heterocíclicos,
considerando apenas a correção do ZPE. Nesta etapa foram acrescentados os resultados
PBE1PBE (Onsager), incluindo o efeito do solvente.
50
Tabela 4.6. Energia intermolecular, ΔE1, e energia intermolecular incluindo a correção ZPE,
ΔE2, para os complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3CC2H3O---HF, obtidos a partir dos métodos RHF, B3LYP e PBE1PBE com o
conjunto de base 6-311++G(d,p) e PBE1PBE (Onsager) que inclui o efeito do
solvente.
Complexos
C2H4O—HF
HO-C2H3O—HF
H3C-C2H3O--HF
Métodos
ΔE1
ΔZPE
ΔE2
RHF
B3LYP
PBE1PBE
PBE1PBE (Onsager)
RHF
B3LYP
PBE1PBE
PBE1PBE (Onsager)
RHF
35,73
42,99
43,82
46,36
33,70
41,45
42,41
50,10
37,25
9,47
9,89
9,85
9,85
8,90
9,24
9,28
8,78
9,21
26,26
33,10
33,97
36,51
24,80
32,21
33,13
41,32
28,04
B3LYP
44,90
9,42
35,48
PBE1PBE
45,72
9,42
36,30
49,32
9,30
40,02
PBE1PBE (Onsager)
* Valores de ΔE , ΔZPE e ΔE2 em kJ mol-1
1
Os valores da energia de estabilização, ΔE2, versus os comprimentos da ligação de
hidrogênio, RO---H (D6), obtidos a partir do cálculo PBE1PBE, podem ser visualizados no
gráfico da Figura 4.10. Os resultados apresentam a mesma tendência inicialmente observada
para os valores obtidos incluindo-se a correção counterpoise, ou seja, novamente o complexo
H3C-C2H3O---HF
apresenta
os
melhores
resultados
concernentes
à
estabilização,
independente do tipo de cálculo (Hartree-Fock, B3LYP ou PBE1PBE).
51
37,00
36,50
H3C-C2H3O--HF
35,50
Y= 362,80302-199,79899X
R= - 0,99083
35,00
34,50
2
ΔE [kJ mol
-1]
36,00
34,00
C2H4O--HF
33,50
HO-C2H3O--HF
33,00
1,632 1,635 1,638 1,641 1,644 1,647 1,650 1,653
R O- -H [ Å]
Figura 4.10. Energia de estabilização com correção ZPE (ΔE2) versus comprimentos de
ligação intermolecular (R O--H) para os complexos de hidrogênio C2H4O---HF,
HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtidos com o método PBE1PBE/6311++G (d, p).
Os resultados obtidos a partir do método PBE1PBE (Onsager) são apresentados nas
Figuras 4.11 e 4.12. Verifica-se que a inclusão do efeito do solvente (ocorrerá o efeito de
solvatação bem como a formação de ligações de hidrogênio), levando a uma mudança na
ordem de estabilização dos complexos de hidrogênio, de modo que o complexo que apresenta
uma maior estabilização é HO-C2H3O---HF. No entanto, com este método (Onsager) não se
tem uma relação direta da energia de estabilização com distância da ligação de hidrogênio, o
que foi apresentado para os resultados em fase gasosa.
Na Tabela 4.7 são mostrados os valores dos momentos de dipolo dos complexos de
hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtido com o método
PBE1PBE com o conjunto de base 6-311++ G(d,p).
52
Tabela 4.7. Valores de momentos de dipolo dos complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-
C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtido com o método PBE1PBE com o
conjunto de base 6-311++G(d,p).
Compostos
Fase Gasosa
Fase Aquosa
C2H4O---HF
4,34
5,62
H3C-C2H3O---HF
4,64
5,97
HO-C2H3O---HF
3,24
6,10
. *Valores em Debye
Analisando os dados da Tabela 4.7 pode-se observar a variação nos momentos dipolos
dos complexos quando se tem a inclusão do efeito solvente. Em fase gasosa tem-se a seguinte
ordem:
H3C-C2H3O---HF >C2H4O---HF >HO-C2H3O---HF.
Os cálculos utilizando o método continuo (Onsager), simulando a fase aquosa
apresentou a seguinte seqüência:
HO-C2H3O---HF >H3C-C2H3O---HF > C2H4O---HF
O que justifica a maior estabilidade do complexo de hidrogênio HO-C2H3O---HF
quando em fase aquosa. Como foi mostrado na Tabela, com a inclusão do efeito do solvente
há uma mudança significativa (o dobro em relação ao gasoso) para complexo HO-C2H3O--HF.
É importante destacar que o método Onsager apresentou bons resultados para o
comprimento da ligação de hidrogênio, conforme pode ser visualizado na Tabela 4.2 e na
Figura 4.6. No entanto, a relação entre a energia de estabilização e o comprimento da ligação
de hidrogênio não apresentou um comportamento linear, como o observado nas Figuras 4.9 e
4.10, o que leva á necessidade de se utilizar métodos mais elaborados para a simulação do
efeito do solvente.
53
HARTREE-FOCK
B3LYP
PBE1PBE
PBE1PBE (Onsager)
45,00
42,00
2
-1
Δ E [kJ mol ]
39,00
36,00
33,00
30,00
27,00
24,00
Metil-Oxirana-HF OH-Oxirana-HF
Oxirana-HF
Complexos de Hidrogênio
Figura 4.11. Energia de estabilização com correção ZPE (ΔE2) para os complexos de
hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF. São incluídos
os valores obtidos considerando o efeito do solvente, PBE1PBE (Onsager).
54
42,00
41,50
HO-C2H3O--HF
41,00
2
ΔE [kJ mol
-1]
40,50
H3C-C2H3O--HF
40,00
39,50
39,00
38,50
Y = 185,69583-92,08333X
38,00
R = - 0,2564
37,50
37,00
C2H4O--HF
36,50
36,00
1,581
1,584
1,587
1,590
1,593
1,596
R O- -H [Å]
Figura 4.12. Energia de estabilização com correção ZPE (ΔE2) versus comprimentos de
ligação intermolecular (R O--H) para os complexos de hidrogênio C2H4O---HF,
HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF, obtidos com o método PBE1PBE
(Onsager) /6-311++G(d,p).
4.3 Potencial Eletrostático
A ligação de hidrogênio das oxiranas substituídas com a espécie HF representa uma
interação intermolecular forte, que ocorre entre uma molécula que contém um átomo de
hidrogênio deficiente em elétrons (por estar ligado a um átomo de alta eletronegatividadeflúor) e uma molécula que contém uma região de alta densidade eletrônica (que corresponde
aos pares de elétron não-compartilhados do oxigênio nas oxiranas). Na Tabela 4.8 são
apresentados os valores de eletronegatividade, segundo a escala de Linus Pauling, para o
hidrogênio e alguns elementos do segundo período da tabela periódica.
55
Tabela 4.8. Eletronegatividade do hidrogênio e de alguns elementos do segundo período da
tabela periódica, segundo a escala de Linus Pauling.
ELEMENTO
ELETRONEGATIVIDADE
Flúor
Oxigênio
Nitrogênio
Carbono
Hidrogênio
4,0
3,5
3,0
2,5
2,1
Da Tabela 4.9 a 4.1.5, são mostrados os valores referentes aos potenciais eletrostáticos
dos monômeros e dos complexos de hidrogênio, obtidos com o método PBE1PBE/6311++G**. Estes valores são ilustrados na forma de superfícies de potencial eletrostático
molecular, que podem ser visualizadas a partir da Figura 4.13 a 4.19. Essas superfícies
auxiliam na visualização das regiões das moléculas receptoras de próton, (C2H4O, H3CC2H3O e HO-C2H3O) mais susceptíveis ao ataque da espécie HF, tais regiões facilitam a
transferência de carga intermolecular entre essas espécies, quando da formação dos
complexos de hidrogênio.
Tabela 4.9. Potencial eletrostático na molécula HF, obtido através do método PBE1PBE/6-
311++G(d,p).
HF
ÁTOMOS
POTENCIAL ELETROSTÁTICO
Flúor
Hidrogênio
-26,59
-0,91
*Valores em u.m.a
Tabela 4.10. Potencial eletrostático na molécula C2H4O obtido através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
OXIRANA C2H4O
ÁTOMOS
POTENCIAL ELETROSTÁTICO
Carbono(1)
-14,71
Carbono(2)
-14,71
Oxigênio(3)
-22,34
Hidrogênios(4 a 7)
-1,10
*Valores em u.m.a
56
Tabela 4.11. Potencial eletrostático no complexo C2H4O---HF, obtido através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
COMPLEXO C2H4O---HF
ÁTOMOS
POTENCIAL
ELETROSTÁTICO
Oxigênio(1)
-22,30
Carbono(2)
-14,69
Carbono(3)
-14,69
Hidrogênios(4 a 7)
-1,071
Hidrogênio(8)
-0,96
Flúor
-26,64
*Valores em u.m.a
As superfícies de potencial eletrostático molecular são representadas por cores que
variam, do azul ao vermelho, de acordo com a densidade eletrônica da região da molécula. A
cor azul representa uma região de menor densidade de elétrons (potencial mais positivo,
devido ao átomo ser menos eletronegativo); a cor vermelha representa uma região de maior
densidade de elétrons (potencial mais negativo, devido ao átomo ser mais eletronegativo); a
cor verde indica uma região de densidade eletrônica intermediaria.
Quando o ácido fluorídrico, HF, se aproxima dos monômeros, C2H4O, H3C-C2H3O e
HO-C2H3O, a região de baixa densidade eletrônica (azul) do ácido fluorídrico HF é atraída
pela região de alta densidade eletrônica (vermelho) do monômero, levando à formação da
ligação de hidrogênio.
-26,59
-0,91
Figura 4.13. Superfície de potencial eletrostático da molécula HF, obtida através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p) . *Valores em u.m.a
57
-22,34
-1,10
Figura 4.14. Superfície de potencial eletrostático da molécula C2H4O, obtida através do
método PBE1PBE/6-311++G(d,p). *Valores em u.m.a
-26,64
-0,96
Figura 4.15. Superfície de potencial eletrostático do complexo C2H4O---HF, obtida através
do método PBE1PBE/6-311++G(d,p) . *Valores em u.m.a
Analisando os dados da Tabela 4.8 e observando as Figuras 4.13. a 4.15, pode-se
concluir que:
ƒ O átomo de flúor da espécie HF é representado por uma região de alta densidade
eletrônica, devido ao seu alto caráter eletronegativo (coloração vermelha);
ƒ O átomo de hidrogênio da espécie HF é uma região de baixíssima densidade eletrônica
(coloração azul), devido ao deslocamento de sua nuvem eletrônica na direção do
átomo de flúor mais eletronegativo;
ƒ O átomo de oxigênio da oxirana é uma região de alta densidade eletrônica (coloração
vermelha), devido ao seu caráter mais eletronegativo que o do carbono. Além disso,
possui dois pares de elétrons livres, que lhe conferem um caráter de base de Lewis
(doador de elétrons) e de base de Brönsted-Lowry (receptor de prótons). Por isso,
esta região é sujeita ao ataque de eletrófilos;
58
ƒ Os átomos de carbono da oxirana são regiões de densidade eletrônica menos negativas
do que a do oxigênio e mais negativas que a dos átomos de hidrogênio (coloração
intermediária entre o vermelho e o azul). A diferença de eletronegatividade entre o
carbono e oxigênio é maior que a diferença entre carbono e hidrogênio, de modo
que a densidade eletrônica no carbono é menor não atraindo tanto a nuvem
eletrônica dos hidrogênios;
ƒ Os átomos de hidrogênio da oxirana possuem densidade eletrônica aproximadamente
nula, (coloração azulada) devido ao caráter menos eletronegativo do hidrogênio em
relação ao carbono;
ƒ Quando as duas espécies, HF e C2H4O, se aproximam, a região de alta densidade
eletrônica da oxirana é atraída pela região de baixa densidade eletrônica do ácido
fluorídrico, ocasionando a formação da ligação de hidrogênio;
ƒ Pode-se notar uma redistribuição de carga nas espécies interagentes, em relação às
moléculas livres, enfatizando o fenômeno da transferência de carga intermolecular.
Vem daí a importância de se tratar o fenômeno da ligação de hidrogênio
considerando dois aspectos fundamentais: o da transferência de carga e o da
interação eletrostática.
59
Tabela 4.12. Potencial eletrostático na molécula H3C-C2H3O obtido através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
METIL-OXIRANA
H3C-C2H3O
ÁTOMOS
POTENCIAL
ELETROSTÁTICO
Carbono(1)
Carbono(2)
Oxigênio(3)
Hidrogênios(4 a 6)
Carbono(7)
-14,71
-14,72
-22,35
-1,10
-14,77
Hidrogênios(8 a 10)
-1,11
*Valores em u.m.a
Tabela 4.13. Potencial eletrostático no complexo H3C-C2H3O---HF, obtido através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
COMPLEXO H3C-C2H3O---HF
ÁTOMOS
POTENCIAL
ELETROSTÁTICO
Oxigênio (1)
Carbono (2)
Carbono (3)
Hidrogênios (4-5-6)
Carbono (7)
Hidrogênios (8-9-10)
Hidrogênio (11)
Flúor (12)
-22,31
-14,69
-14,68
-1,08
-14,75
-1,09
-0,97
-26,65
*Valores em u.m.a
-22,35
-1,10
Figura 4.16. Superfície de potencial eletrostático da molécula H3C-C2H3O, obtida através do
método PBE1PBE/6-311++G(d,p). *Valores em u.m.a
60
-22,65
-0,97
Figura 4.17. Superfície de potencial eletrostático do complexo H3C-C2H3O---HF, obtida
através do método PBE1PBE/6-311++G(d,p). *Valores em u.m.a
Analisando os dados da Tabela 4.8 e as Figura 4.16 a 4.17, pode-se concluir que:
ƒ
O carbono do grupo metila possui uma densidade eletrônica intermediária
(coloração verde) entre a do oxigênio (coloração vermelha) e a dos hidrogênios
(coloração azul) do monômero da metil-oxirana. Entretanto, com a complexação a
densidade eletrônica do carbono do grupo metila diminui (coloração azul), o que é
consistente com a transferência de carga intermolecular.
ƒ
Nas demais regiões o comportamento é semelhante ao abservado no caso da
oxirana.
Tabela 4.14. Potencial eletrostático na molécula HO-C2H4O obtido através do método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
HIDROXI-OXIRANA
HO-C2H3O
ÁTOMOS
POTENCIAL ELETROSTÁTICO
Carbono(1)
Carbono(2)
Oxigênio(3)
Hidrogênios(4 a 6)
-14,71
-14,65
-22,34
-1,09
Oxigênio(7)
-22,33
Hidrogênio(8)
-0,98
*Valores em u.m.a
61
Tabela 4.15. Potencial eletrostático no complexo HO-C2H4O—HF, obtidos através do
método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
COMPLEXO HO-C2H3O---HF
ÁTOMOS
POTENCIAL
ELETROSTÁTICO
Oxigênio(1)
Carbono(2)
Carbono(3)
Hidrogênios(4 a 6)
Oxigênio(7)
Hidrogênio(8)
Hidrogênio(9)
Flúor(10)
-22,30
-14,69
-14,63
-1,07
-22,30
-0,95
-0,96
-26,64
*Valores em u.m.a
-22,34
-0,98
Figura 4.18. Superfície de potencial eletrostático da molécula HO-C2H4O, obtida através do
método PBE1PBE/6-311++G(d,p). *Valores em u.m.a
-26,64
-0,95
Figura 4.19. Superfície de potencial eletrostático do complexo HO-C2H4O---HF, obtida
através do método PBE1PBE/6-311++G(d,p). *Valores em u.m.a
62
Analisando os dados da Tabela 4.8 e as Figuras 4.18 e 4.19, pode-se concluir que:
ƒ
O oxigênio do grupo hidroxila possui uma alta densidade eletrônica (coloração
vermelha) no monômero da hidroxi-oxirana. Entretanto, com a complexação a
densidade eletrônica do oxigênio da hidroxila diminui ligeiramente (coloração
vermelha menos centralizada), o que também é observado para os hidrogênios da
hidroxi-oxirana (coloração azul mais intensa), de forma consistente com a
transferência de carga intermolecular.
ƒ
Nas demais regiões o comportamento é semelhante ao observado no caso da
oxirana.
63
4.4. Propriedades Vibracionais
A formação de uma ligação de hidrogênio é responsável pelo surgimento de novos
modos vibracionais, que representam baixos valores de intensidade e freqüência (região do
infravermelho), sendo o modo de estiramento da ligação intermolecular um novo modo
vibracional bastante citado na literatura. Associado à formação da ligação de hidrogênio
também ocorrem mudanças nos modos vibracionais das espécies interagentes em relação às
espécies livres. Por exemplo, o modo vibracional de estiramento da espécie doadora de
próton, HX, é deslocado para regiões de freqüência mais baixas, sendo este fenômeno
acompanhado por um aumento pronunciado na correspondente intensidade de absorção.
Esta mudança é um dos indícios mais utilizados para verificar a formação de uma
ligação de hidrogênio[33-35] , e é devida, principalmente, pela transferência de carga da espécie
receptora para a espécie doadora de prótons ( o que enfraquece e alonga a ligação H-X).
Na Tabela 4.16 são mostradas as variações da freqüência de estiramento da espécie
HF devidas à formação dos complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3CC2H3O---HF.
64
Tabela 4.16. Deslocamentos na freqüência de estiramento da ligação HF, devidos à formação
dos complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O--HF, obtidos a partir dos métodos RHF, B3LYP e PBE1PBE, com o conjunto de
base 6-311++G(d,p), incluindo a correção do BSSE.
COMPLEXOS
C2H4O---HF
HO-C2H3O---HF
H3C-C2H3 O---HF
MÉTODOS
ΔνHF
RHF
B3LYP
PBE1PBE
RHF
B3LYP
PBE1PBE
RHF
288,7
514,7
539,2
276,8
507,8
531,8
312,5
B3LYP
550,3
PBE1PBE
574,2
*ΔνH-F = ν HF - ν HF, no complexo
**Freqüência em cm-1
O gráfico da Figura 4.20 relaciona os valores da energia intermolecular corrigida,
(ΔECorr) com os valores da freqüência de estiramento da ligação HF (ΔνHF), obtido com o
método PBE1PBE, com a base 6-311++G(d,p). Pode-se observar uma relação linear entre
estes dois parâmetros, com um coeficiente de correlação igual a 0,99941. A partir dessa
observação, pode-se sugerir que, se o valor experimental da mudança na freqüência de
estiramento da ligação H-F, for conhecido, é possível prever a estabilidade de um complexo
de hidrogênio desta série. Mais uma vez, pode ser observada a maior estabilidade do
complexo H3C-C2H3O---HF, quando comparada aos demais complexos de hidrogênio desta
série.
65
33,50
33,00
H3C-C2H3O- -HF
32,00
31,50
Corr
31,00
30,50
ΔE
[ kJ mol -1]
32,50
30,00
29,50
29,00
y = - 10,23453 + 0,07415X
R = 0,99941
C2H4O- -HF
OH-C2H3O- -HF
28,50
525,0 532,0 539,0 546,0 553,0 560,0 567,0 574,0
-1
Δν H-F [cm ]
Figura 4.20. Energia de estabilização corrigida (ΔECorr ) versus variação na freqüência
de estiramento da ligação H-F (ΔνHF), obtidas com o método PBE1PBE/6311++G(d,p).
Na Tabela 4.17 são mostrados os valores da mudança na freqüência de estiramento da
ligação HF, obtidos sem a correção do BSSE, incluindo-se os valores PBE1PBE (Onsager),
para avaliar a mudança no espectro vibracional devida ao solvente.
66
Tabela 4.17. Deslocamentos da freqüência de estiramento da ligação HF, devidos à formação
dos complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O--HF, obtidos a partir dos métodos RHF, B3LYP e PBE1PBE e PBE1PBE
(Onsager), com o conjunto de base 6-311++G(d,p), sem inclusão da correção do
BSSE.
COMPLEXOS
C2H4O--HF
OH-C2H3O--HF
H3C-C2H3 O--HF
MÉTODOS
ΔνHF
RHF
313,7
B3LYP
536,6
PBE1PBE
561,2
PBE1PBE(Onsager)
RHF
B3LYP
PBE1PBE
PBE1PBE(Onsager)
RHF
720,7
303,0
534,9
560,1
738,1
339,2
B3LYP
575,9
PBE1PBE
601,0
PBE1PBE(Onsager)
766,4
*ΔνH-F = ν HF - ν HF, no complexo
** Freqüências em cm-1
Os valores da Tabela 4.17 podem ser contrastados com os da energia intermolecular,
sem a correção do BSSE, conforme mostrado no gráfico da Figura 4.21. A maior estabilidade
do complexo. O coeficiente de correlação neste caso é menor que o obtido no gráfico da
Figura 4.20, de modo que a inclusão da correção do BSSE é fundamental para se utilizar
dados experimentais (ΔνHF) na previsão da energia de estabilização (ΔE).
67
36,50
H3C-C2H3O- -HF
35,50
2
ΔE [ kJ mol
-1
]
36,00
35,00
y = - 4,95528 + 0,06867 X
R = 0,97247
34,50
C2H4O- -HF
34,00
33,50
33,00
OH-C2H3O- -HF
560,0 567,0 574,0 581,0 588,0 595,0 602,0
Δν
-1
H-F [cm ]
Figura 4.21. Energia de estabilização com correção ZPE (ΔE2), versus variação na
freqüência de estiramento da ligação H-F (ΔνHF), obtidas com o método
PBE1PBE/6-311++G(d,p).
O gráfico da Figura 4.22 relaciona os valores da energia intermolecular com
correção ZPE (ΔE2) com os valores da freqüência de estiramento da ligação H-F (ΔνHF),
obtido com o método PBE1PBE (Onsager), com a base 6-311++G(d,p).O coeficiente de
correlação linear é ainda menor que o obtido nos gráficos das Figuras (4.20 e 4.21).
68
42,00
41,50
OH-C2H3O- -HF
41,00
2
ΔE [ kJ mol
-1
]
40,50
H3C-C2H3O- -HF
40,00
39,50
39,00
38,50
y = - 8,92258 + 0,06499X
R = 0,60219
38,00
37,50
37,00
36,50
C2H4O- -HF
36,00
720,0 728,0 736,0 744,0 752,0 760,0 768,0 776,0
Δν
-1
[cm
]
H-F
Figura 4.22. Energia de estabilização com correção ZPE (ΔE2), versus variação na
freqüência de estiramento da ligação H-F (ΔνHF), obtidas com o método
PBE1PBE (Onsager) /6-311++G(d,p).
69
4.5. Caminhos de Reação
As oxiranas são mais reativas que os éteres de cadeia aberta, devido à tensão no anel
que pode provocar a sua abertura em condições ácidas, básicas ou neutras. A reação é
estéreo-específica, envolvendo o ataque anti ou trans do nucleófilo X- a um dos átomos de
carbono do anel.
Com a oxirana e com as oxiranas simetricamente substituídas, o ataque do nucleófilo
a um dos carbonos do anel não possui uma direção preferencial, quer a reação em meio ácido
ou básico, sendo o mecanismo de abertura do anel do tipo SN2 (Substituição Nucleofilica
Bimolecular). Em oxiranas assimétricas, na abertura do anel catalisado por ácido o
nucleófilo ataca preferencialmente o carbono mais substituído[13-18]. Uma explicação para
esse fato é que, no epóxido protonado (intermediário de reação), o carbono mais substituído
tem uma carga parcial positiva maior que a do menos substituído.
Considerando o estudo teórico de mecanismo de reações, de acordo com a teoria do
complexo ativado a energia potencial aumenta à medida que os reagentes se aproximam de
modo que ocorre um máximo de energia, localizado entre os mínimos correspondentes a
reagentes e produtos. Este máximo corresponde à formação de um complexo ativado, um
aglomerado de átomos que pode tanto passar para o lado dos produtos como retornar aos
reagentes que o formaram. Um complexo ativado não é um intermediário de reação, que
pode ser isolado e estudado como uma molécula comum.
Desta forma, destaca-se a importância da modelagem molecular, que possibilita a
identificação do complexo ativado a partir de cálculos estruturais e energéticos do mesmo. O
conceito de complexo ativado pode ser aplicado a reações em fase gasosa ou em solução,
pois é possível pensar no complexo ativado como contendo, eventualmente, algumas
moléculas do solvente[83].
Outro conceito importante é a energia de ativação, Ea, que corresponde a energia
cinética mínima exigida para uma colisão resultar em reação. A formação do complexo
ativado “TS” (ponto de máximo na coordenada de reação) depende da energia de ativação de
uma reação: quanto menor for Ea, mais rápida será a reação.
70
Em geral, as reações se processam mais facilmente quando os produtos constituem
um estado mais estável que os reagentes. Essa diferença é denominada de “energia livre de
reação” (ΔrE = EProduto - EReagente). Quando ΔrE < 0, a reação “libera energia”, e tem-se uma
reação exotérmica. No entanto, se ΔrE >0 a reação “consume energia”, tendo-se uma reação
endotérmica. As interações moleculares podem promover um decréscimo na entalpia de
ativação e/ou variações nas entalpias de reagentes ou produtos.
Na Figura 4.9. (item 4.2) foi mostrado o gráfico dos valores DFT/PBE1PBE/6311++G(d,p) com correção counterpoise para a energia intermolecular, ΔECorr, versus os
valores do comprimento de ligação intermolecular, para os complexos de hidrogênio C2H4O--HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF. Estes resultados serão utilizados aqui como o
ponto de partida para o estudo do mecanismo de reação da abertura do anel dos heterocíclicos.
No estudo das reações de abertura do anel o complexo de hidrogênio é tratado como o
reagente, e o estado de transição é determinado a partir desta estrutura e dos possíveis
produtos da reação. Nos casos das oxiranas assimétricas foram calculadas duas
possibilidades do ataque do nucleófilo: (a) no carbono mais substituído e (b) no carbono
menos substituído. Através da otimização de geometria do cálculo de energia das estruturas
dos reagentes, estados de transição e produtos, obteve-se as barreiras de ativação (∆aE) e as
energias de reação (∆rE) para todos os sistemas propostos. Estes resultados são discutidos
nas próximas seções.
4.5.1. Abertura do Anel da Oxirana Catalisada por Ácido
A coordenada de reação para a abertura do anel da oxirana catalisada pelo ácido
fluorídrico é mostrada na Figura 4.23. A energia relativa é calculada considerando-se a
energia do produto como sendo a referência. A reação é exotérmica, sendo o produto 74,84
kJmol-1 mais estável que o regente. A energia de ativação, partindo-se do reagente, é 214,69
kJmol-1.
71
Figura 4.23. Energias relativas para a reação de abertura do anel da oxirana com o ácido
fluorídrico,
produzindo
2-flúor-etanol,
obtidas
com
o
método
DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p), incluindo a correção do BSSE.
4.5.2. Abertura do Anel da Hidroxi-oxirana sob Catálise Ácida
A reação para a abertura do anel da hidroxi-oxirana catalisada pelo acido fluorídrico
pode ocorrer de duas maneiras distintas: (i) a adição ao carbono mais substituído; e (ii) a
adição ao carbono menos substituído. Os gráficos para o diagrama de energia, considerando
os dois mecanismos, são mostrados nas Figuras 4.24 e 4.25, respectivamente. As energias de
ativação para formação do complexo ativado, considerando os mecanismos via carbono mais
e menos substituídos são 135,85 kJmol-1 e 208,99 kJmol-1, respectivamente. Os dois
mecanismos são esquematicamente apresentados na Figura 4.26.
72
Figura 4.24. Energias relativas para a reação de abertura do anel da hidroxi-oxirana com o
ácido fluorídrico produzindo 1-flúor-etanodiol-1,2 (via carbono mais
substituído). Obtidas com o método DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p).
Figura 4.25. Energias relativas para a reação de abertura do anel da hidroxi-oxirana com o
ácido fluorídrico, produzindo 2-flúor-etanodiol-1,1 (via carbono menos
substituído). Obtidas com o método DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p).
73
Considerando as energias relativas dos mecanismos via carbono mais e menos
substituído, tem-se que o primeiro é favorecido cinética e termodinamicamente. A diferença
entre as energias dos complexos ativados, considerando a adição ao carbono mais
substituído, TS(+), e menos substituído, TS(-), é de 73,15 kJ mol-1. O produto formado via
adição ao carbono mais substituído é também, mais estável que o segundo por 4,86 kJ mol-1.
A orientação preferencial do ataque nucleofilico, o conforme mostrado na Figuras 4.26,
corrobora os resultados experimentais[14,19].
Figura 4.26. Esquema comparativo para as energias relativas referentes à reação de
abertura do anel da hidroxi-oxirana considerando a adição ao carbono
mais substituído (em azul) e ao menos substituído (em vermelho).
4.5.3. Abertura do Anel da Metil-Oxirana sob Catálise Ácida
De forma semelhante aos mecanismos para abertura do anel da hidroxi-oxirana
catalisada pelo ácido fluorídrico, a reação para abertura do anel da metil-oxirana também
pode ocorrer de duas maneiras distintas: (i) a adição ao carbono mais substituído; e (ii) a
adição ao carbono menos substituído. Os diagramas de energia desses dois mecanismos são
mostrados nas Figuras 4.27 e 4.28. As energias de ativação para formação do complexo
74
ativado, considerando os mecanismos via carbono mais e menos substituídos são 191,32
kJmol-1 e 214.97 kJmol-1, respectivamente. Estes valores são bem maiores que os
correspondentes para a hidroxi-oxirana. Os dois mecanismos são esquematicamente
apresentados na Figura 4.29.
Figura 4.27. Energias relativas para a reação de abertura do anel da metil-oxirana com o
ácido fluorídrico, produzindo 2-flúor-propanol-1, (via carbono mais
substituído) obtidos com o método DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p).
75
Figura 4.28. Energias relativas para a reação de abertura do anel da metil-oxirana com o
ácido fluorídrico, produzindo 1-flúor-propanol-2 (via carbono menos
substituído) obtidos com o método DFT/PBE1PBE/6-311++G(d,p).
A Figura 4.29 apresenta as energias relativas para os mecanismos via carbono mais
e menos substituído. O mesmo resultado observado para a hidroxi-oxirana foi obtido para o
presente caso, ou seja, o mecanismo para a abertura do anel da metil-oxirana via carbono
mais substituído é favorecido cinética e termodinamicamente. A diferença entre as energias
dos complexos ativados, considerando a adição ao carbono mais substituído, TS(+), e
menos substituído, TS(-), é de 23,65 kJmol-1. O produto formado via adição ao carbono
mais substituído é mais estável que o segundo por 2,53 kJ mol-1. Estes valores também são
bem menores que os correspondentes para o caso da hidroxi-oxirana.
76
Figura 4.29. Esquema comparativo para as energias relativas referentes à reação de
abertura do anel da metil-oxirana considerando a adição ao carbono mais
substituído (em azul) e ao menos substituído (em vermelho).
Na Tabela 4.18 são mostrados os resultados referentes às energias de ativação (ΔaE) e
energia de reação global (ΔrE) para os complexos de hidrogênio C2H4O---HF, HO-C2H3O--HF e H3C-C2H3O---HF.
77
Tabela 4.18. Energia de reação global, ∆rE, e energia de ativação, ∆aE, referentes aos
complexos heterocíclicos C2H4O---HF, HO-C2H3O---HF e H3C-C2H3O---HF,
obtidas com o método PBE1PBE/6-311++G(d,p).
Complexos
ΔrE
ΔaE
74,84
214,69
(C+substituído)
69,88
191,32
(C-substituído)
67,35
214,97
(C+substituído)
76,82
135,85
(C-substituído)
71,96
208,99
C2H4O---HF
H3C-C2H4O---HF
HO-C2H4O---HF
*Valores de ∆rE e ∆aE em kJmol -1
De acordo com os resultados referentes à barreira de ativação (∆aE) e a energia global
das reações (∆rE), tem-se que a reação de abertura do anel para a hidroxi-oxirana é a mais
favorecida do ponto de vista cinético e termodinâmico, destacando-se o ataque nucleofílico ao
carbono mais substituído. Dessa forma, a ordem de reatividade é a seguinte:
HO-C2H3O---HF > H3C-C2H3O---HF > C2H4O---HF
78
CONCLUSÕES
79
5- CONCLUSÕES
A seguir são apresentados os aspectos mais importantes, referentes aos parâmetros
estruturais, eletrônicos, vibracionais e mecanísticos para os complexos de hidrogênio
heterocíclicos (CnHmY-HX), formados pelas espécies receptoras de prótons C2H4O, H3CC2H3O e HO-C2H3O com o ácido monoprótico HF.
5.1. Propriedades Estruturais
•
Os valores obtidos com o método DFT (B3LYP e PBE1PBE) apresentam melhores
resultados quando comparados ao método Hartree-Fock, na base 6-311++G(d,p), para
as distâncias de ligação (D1-D2-D3-D4-D6), em relação aos resultados experimentais
disponíveis.
•
Os parâmetros estruturais (D1-D2-D3-D4-D5), referentes aos monômeros e
complexos estudados, mostraram variações em seus incrementos quando se formou o
complexo de hidrogênio, destacando-se os parâmetros (D2 e D5), onde D5
corresponde à ligação HF.
•
A formação dos complexos leva a um decréscimo na ligação intermolecular D6 (RO-H),
•
sendo os melhores valores obtidos considerando o efeito do solvente (Onsager).
Os valores obtidos com o método B3LYP e PBE1PBE na base 6-311++G (d,p)
mostraram os melhores resultados quando comparados ao método Hartree-Fock, na
mesma base, para os ângulos de ligação (A1, A2, A3), em relação aos resultados
experimentais disponíveis.
80
5.2 Propriedades Eletrônicas.
•
Os resultados obtidos pelo método PBE1PBE/6-311++G(d,p), com counterpoise,
referentes à energia intermolecular (ΔEcorr) versus distância intermolecular (RO--H)
para os complexos de hidrogênio (C2H4O---HF, OH-C2H3O---HF e a H3C-C2H3O--HF), mostraram alta correlação entre estes parâmetros.
•
Os resultados obtidos pelo método PBE1PBE/6-311++G(d,p), sem counterpoise,
apenas com a correção ZPE, referentes à energia intermolecular (ΔE2) versus distância
intermolecular (RO--H) para os complexos de hidrogênio (C2H4O---HF, OH-C2H3O--HF e H3C-C2H3O---HF) apresentaram boa correlação entre estes parâmetros, embora
menor que no caso anterior.
•
Os cálculos incluindo o efeito do solvente (água) tiveram resultados distintos dos
desenvolvidos em fase gasosa, apresentando HO-C2H3O---HF como o complexo mais
estável. No entanto, o resultado da energia intermolecular (ΔE2) versus distância
intermolecular (RO--H) não apresentou comportamento linear.
•
5.3 Potencial Eletrostático.
•
Com relação ao potencial eletrostático, a região mais negativa concentra-se no átomo
de flúor presente no monômero ácido fluorídrico, bem como nos complexos formados
(C2H4O-HF, HO-C2H3O-HF e a H3C-C2H30-HF), e pode-se também verificar a
presença da região negativa no átomo de oxigênio presentes nos epóxidos bem como
no grupo substituinte OH da oxirana substituída (HO-C2H3O e HO-C2H3O-HF).
•
5.4 Propriedades Vibracionais.
•
Os resultados das propriedades vibracionais obtidos a partir dos cálculos B3LYP,
PBE1PBE e Hartree-Fock, utilizando o conjunto de base 6-311++G(d,p), indicam
mudanças na freqüência de estiramento H-F deslocada para valores menores, sendo
acompanhado por um aumento pronunciado de sua intensidade de absorção, fato este
justificado pela transferência de carga dos monômeros C2H4O, HO-C2H3O e a H3CC2H3O para a espécie H-F, na formação da ligação de hidrogênio.
81
•
Relacionando a energia intermolecular (ΔEcorr) versus os das freqüência harmônicas
para os complexos de hidrogênio (C2H4O-HF, OH-C2H3O-HF e H3C-C2H3O-HF),
observamos uma excelente relação linear.
5.5 Mecanismo de Reação
•
No caso das oxiranas simétricas observamos que não há uma direção preferencial de
ataque do nucleófilo a um dos átomos de carbono do anel, o que já era esperado.
•
Com relação às oxiranas assimétricas, os resultados mostraram que a orientação do
ataque nucleofilico ocorreu preferencialmente no carbono mais substituído, o que
corrobora os resultados da literatura.
•
A análise dos dados referentes à barreira de ativação (∆aE) e Energia Global das
Reações (∆rE) indicam que o mecanismo cineticamente e termodinamicamente mais
favorável tem como reagente o complexo HO-C2H3O-HF. Destacando o ataque
nucleofilico ao carbono mais substituído.
•
A ordem de reatividade dos complexos heterocíclos para reação de abertura do anel
encontrada foi a seguinte: HO-C2H3O-HF > H3C-C2H3O-HF > C2H4O-HF
82
PERSPECTIVAS
83
6- Perspectivas
Como proposta de continuidade deste trabalho, propõ-se o estudo das principais
mudanças estruturais, eletrônica, vibracionais que ocorrem no anel do anel do epóxido,
C2H4O, quando substituídos pelo grupo -CH3, modelando-se as seis possibilidades de
substituição da oxirana: mono, di- (no mesmo carbono e em carbonos diferentes, cis e trans),
tri- e tetra- substituídos, bem como os respectivos complexos formados com o ácido
fluorídrico.
Além das propriedades acima citadas, poderá ser realizado o estudo do mecanismo de
reação a fim de prever quais espécies são as mais favoráveis cineticamente e
termodinamicamente para a reação de abertura do anel heterocíclo.
Figura 6.1. Oxiranas mono, di, tri e tetra subsituídas com o grupo –CH3.
84
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85
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